ES2299128T3 - Tubo de escape para un motor de combustion interna. - Google Patents
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Abstract
Un tubo de escape (2) para un motor de combustión interna (1), en el que el tubo de escape comprende: un tubo de metal (5) que encierra un paso (6) a través del cual pasa un gas de escape desde el motor de combustión interna (1); y una película cerámica (10) que cubre el tubo de metal (5) desde el exterior, caracterizado porque la película cerámica (10) contiene no más que aproximadamente 0, 5 % en masa de un elemento metálico, que está presente en una medida dominantes en una superficie del tubo metálico (5); en el que la película cerámica (10) es una película de SiON que contiene 30 % en masa o menos de oxígeno y 10 % en masa o más de nitrógeno.
Description
Tubo de escape para un motor de combustión
interna.
\global\parskip0.900000\baselineskip
La presente invención se refiere a un tubo de
escape para un motor de combustión interna, en el que el tuno de
escape es utilizado para conducir a lo largo del mismo un gas de
escape que es generado en el motor de combustión interna. Más
particularmente, la presente invención se refiere a un tubo de
escape para un motor de combustión interna, de tal manera que al
menos una porción del tubo de escape aparece sobre el exterior de
un vehículo que incorpora el motor de combustión interna.
En muchas motocicletas o similares que
incorporan un motor de combustión interna, el motor de combustión
interna está expuesto de tal manera que la apariencia exterior del
motor de combustión interna puede contribuir al diseño estético de
la motocicleta. En una motocicleta de este tipo, un tubo de escape
para conducción a través del mismo de gas de escape desde el motor
de combustión interna juega también un papel importante en el
diseño de la motocicleta. Incluso en el caso de que el motor de
combustión interna esté cubierto por un carenado o similar, no es
probable que el tubo de escape esté cubierto completamente por un
carenado o por un protector. En su lugar, es frecuente el caso en
el que al menos una porción del tubo de escape aparece sobre el
exterior para convertirse en parte del diseño de la motocicleta.
La figura 14 es una vista lateral que muestra un
ejemplo de una motocicleta del tipo deportivo. Una motocicleta 200
mostrada en la figura 14 incluye un motor del tipo V 201 y un tubo
de escape 202 para conducir a lo largo del mismo el gas de escape.
Dos cilindros del motor del tipo V 201 se combinan en el tubo de
escape 202 individual, que se extiende hacia y por encima de la
rueda trasera, con el fin de permitir que el gas de escape sea
descargado en la porción trasera del cuerpo. En la presente memoria
descriptiva, un "tubo de escape" significa la totalidad de
cualquier estructura que compone un canal para conducir a lo largo
del mismo el gas de escape desde el motor de combustión interna y
puede incluir cualquier porción que define un silencioso 202a o
similar.
En general, el tubo de escape 202 debe tener un
cierto espesor para permitir que el gas de escape generado en el
motor de combustión interna 201 sea descargado de una manera
eficiente. Además, la porción que constituye el silencioso 202a
tiene un diámetro incrementado con el fin de alojar la estructura
del silencioso. Por esta razón, el tubo de escape representa una
parte relativamente grande de la apariencia exterior de toda la
motocicleta y, por lo tanto, la forma y el color del tubo de escape
tienen un impacto sobre todo el diseño de la motocicleta.
Por estas razones, la forma y el color del tubo
de escape son factores importantes en la determinación de todo el
diseño de la motocicleta. Por lo tanto, es común construir el tubo
de escape en una forma doblada suavemente para presentar una
impresión fuerte y voluminosa, o para acabar la superficie del tubo
de escape con un color de metal brillante o acabado para un
contraste mejorado de las otras partes componentes. También es
común acabar la superficie del tubo de escape con un tono de color
similar a los de otras partes componentes para obtener una
apariencia consistente con las estructuras circundantes.
En general, un tubo de escape está formado de
tubos de acero al carbono para fines estructurales de máquinas
(STKM), acero inoxidable (SUS), titanio o similar. En el caso de un
tubo de escape compuesto de STKM, la superficie del tubo de escape
está con frecuencia recubierta con cromo para una estética
mejorada.
Sin embargo, el gas de escape que circula a
través del tubo de escape, que procede directamente desde el motor
de combustión interna, tiene una temperatura alta. Por lo tanto,
cuando el gas de escape pasa por el tubo de escape, el tubo de
escape alcanza una temperatura alta, como resultado de lo cual se
puede decolorar la superficie del tubo recubierta con cromo, se
puede oxidar o deteriorar de otra manera. En particular, algunas
regiones pueden experimentar decoloración
azul-violeta o marrón-rojizo.
Además, incluso en el caso de un tubo de escape que ha sido formado
de SUS o titanio sin ser recubierto con cromo, la superficie puede
estar todavía coloreada azul-violeta o
marrón-rojizo debido a alta temperatura, se puede
desprender la película de óxido generada y/o se puede producir un
cambio de tono de color debido a la formación de película de
óxido.
Por lo tanto, debido a la decoloración
azul-violeta o marrón-rojiza o al
deterioro de la superficie de un tubo de escape que tiene brillo
metálico, se plantea el problema de que se degrada la apariencia
exterior de todo el diseño de la motocicleta. Este problema se ha
vuelto particularmente significativo en los últimos años debido a
que se ha mejorado el rendimiento de los motores de combustión
interna, dando como resultado un incremento de la temperatura del
gas de escape.
Este problema se puede solucionar previniendo
que la temperatura de la superficie del tubo de escape llegue a ser
demasiado alta, adoptando una estructura cilíndrica de dos o tres
capas para el tubo de escape. Sin embargo, incluso utilizando una
estructura cilíndrica de dos o tres capas, no se reducirá
adecuadamente la temperatura de la superficie del tubo de escape y
no se prevendrá completamente la oxidación de la superficie o el
deterioro de la superficie debidos al calor. Además, en este caso,
existe otro problema en que se incrementan las dimensiones
exteriores del tubo de escape.
\global\parskip1.000000\baselineskip
La decoloración, la oxidación o el deterioro de
la superficie del tubo de escape se pueden solucionar cubriendo el
tubo de escape con un carenado o un protector, de tal manera que el
tubo de escape no se mostrará al exterior. Sin embargo, en este
caso, el tubo de escape no contribuye a todo el diseño de la
motocicleta, haciendo de esta manera difícil conseguir una calidad
de belleza y estética característica deseada de una
motocicleta.
Para resolver los problemas descritos
anteriormente, el inventor ha propuesto formar una película de
óxido de silicio sobre la superficie de un tubo de escape con el fin
de prevenir la decoloración del tubo de escape (publicación de
patente japonesa Nº 2002-332838). Como se describe
en la publicación de patente japonesa Nº
2002-332838, formando una película de óxido de
silicio que tiene un espesor de aproximadamente 0,05 \mum o más
sobre la superficie de un tubo de escape a través de un
procesamiento de sol-gel, es posible obtener un
tubo de escape que es poco probable que sufra decoloración, incluso
cuando se calienta hasta una temperatura de aproximadamente
400ºC.
No obstante, se ha encontrado que un tubo de
escape que se obtiene por la técnica descrita en la publicación de
patente japonesa Nº 2002-332838 puede sufrir
decoloraciones drásticas en la superficie debido a la exposición a
una temperatura que excede de 400ºC. Por lo tanto, no se puede
prevenir suficientemente el deterioro en el caso de que se utilice
un tubo de escape descrito en la publicación de patente japonesa Nº
2002-332838 para un motor de combustión interna de
alto rendimiento, en el que es probable que el tubo de escape
alcance una temperatura alta, como se ha mencionado
anteriormente.
El documento EP 1 617 125 A2 de la técnica
anterior describe un tubo de escape para un motor de combustión
interna. Sin embargo, esta técnica anterior está comprendida en el
estado de la técnica de acuerdo con el Artículo 54(3) EPC y,
por lo tanto, no es relevante para la cuestión de una etapa
inventiva. Enseña formar una película cerámica que cubre el tubo
metálico a través del cual pasa el gas de escape. La película
cerámica contiene no más de 0,5% atómico de un elemento metálico
que está presente en una medida dominante en una superficie del
tubo metálico.
\vskip1.000000\baselineskip
Con el fin de solucionar los problemas descritos
anteriormente, las formas de realización preferidas de la presente
invención proporcionan un tubo de escape para un motor de combustión
interna que puede prevenir la decoloración y la oxidación causadas
por gas de escape a alta temperatura.
Un tubo de escape para un motor de combustión
interna de acuerdo con una forma de realización de la presente
invención es un tubo de escape para un motor de combustión interna,
en el que el tubo de escape incluye un tubo de metal que encierra
un paso a través del cual pasa un gas de escape desde el motor de
combustión interna; y una película cerámica que cubre el tubo de
metal desde el exterior, conteniendo la película cerámica no más
que aproximadamente 0,5% en masa de un elemento metálico, que está
presente en una medida dominantes en una superficie del tubo
metálico, en el que la película cerámica es una película de SiON que
contiene 30% en masa o menos de O y 10% en masa o más de N.
En una forma de realización preferida, la
película cerámica tiene aproximadamente 5% en masa o menos de
oxígeno y aproximadamente 40% en masa o más de nitrógeno.
En una forma de realización preferida, la
película cerámica está dispuesta directamente sobre la superficie
del tubo metálico.
En una forma de realización preferida, la
película cerámica tiene un espesor en un intervalo no menor que
aproximadamente 5 nm y no más que aproximadamente 300 nm.
En una forma de realización preferida, la
película cerámica tiene un espesor en un intervalo no menor que
aproximadamente 5 nm y no más que aproximadamente 30 nm.
En una forma de realización preferida, el tubo
metálico tiene una rugosidad superficial Ra en el intervalo no menor
que aproximadamente 0,4 \mum y no mayor que aproximadamente 3,2
\mum.
En una forma de realización preferida, el tubo
metálico está compuesto de titanio, una aleación de titanio, o
acero inoxidable.
En una forma de realización preferida, el tubo
metálico incluye una capa de revestimiento de cromo localizada
sobre una superficie del mismo.
En una forma de realización preferida, no está
presente substancialmente ninguna película de óxido del elemento
metálico que esté presente en una medida dominante en la superficie
del tubo metálico entre el tubo metálico y la película
cerámica.
En una forma de realización preferida, la
película cerámica es una película depositada con vapor formada por
una técnica de deposición con vapor.
En una forma de realización preferida, la
película cerámica es una película depositada con vapor por una
técnica de pulverización catódica o una técnica de galvanizado de
iones.
En una forma de realización preferida, el tubo
metálico tiene una rugosidad superficial mayor que un intervalo de
rugosidad superficial, en el que es previsible que se produzca luz
difractada para luz visible, y la película cerámica tiene un
espesor similar a un intervalo de espesor en el que es previsible
que se produzcan flecos de interferencia para luz visible.
Un motor de combustión interna de acuerdo con
una forma de realización preferida de la presente invención
incluye un tubo de escape para un motor de combustión interna que
tiene la construcción única descrita anteriormente.
Un aparato de transporte de acuerdo con una
forma de realización preferida de la presente invención incluye un
motor de combustión interna de la construcción única descrita
anteriormente.
El tubo de escape para un motor de combustión
interna de acuerdo con varias formas de realización preferidas de
la presente invención se caracteriza por una película cerámica que
contiene no más que aproximadamente 0,5% en masa (es decir,
substancialmente nada) de un elemento metálico que está presente en
una medida dominante en la superficie del tubo metálico. Por lo
tanto, se previenen la decoloración del tubo de escape y el
deterioro debidos a oxidación de tal elemento metálico a una alta
temperatura. Como resultado, se previene la decoloración del tubo
de escape causada por un gas de escape a alta temperatura, de manera
que se puede mantener una buena apariencia exterior. Además, puesto
que esta película cerámica es una película de SiON que contiene
aproximadamente 30% en masa o menos de oxígeno y aproximadamente
10% en masa o más de nitrógeno, se proporcionan altos efectos de
prevención de decoloración y deterioro del tubo de escape.
Otras características, elementos, procesos,
etapas, características y ventajas de la presente invención serán
más evidente a partir de la siguiente descripción detallada de forma
de realización preferidas de la presente invención con referencia a
los dibujos adjuntos.
La figura 1 es una vista lateral que muestra una
motocicleta, en la que se utiliza con preferencia un tubo de escape
para un motor de combustión interna de acuerdo con una forma de
realización preferida de la presente invención.
La figura 2 es una vista de la sección
transversalmente de un tubo de escape para un motor de combustión
interna de acuerdo con una forma de realización de la presente
invención.
Las figuras 3A y 3B son una vista de la sección
transversal lateral y una vista de la sección transversal superior,
respectivamente, que muestra de forma esquemática la estructura de
un aparato de pulverización catódica utilizado para la producción
del tubo de escape para un motor de combustión interna de acuerdo
con una forma de realización preferida de la presente
invención.
La figura 4 es una ilustración estructural
esquemática alrededor de la superficie del tubo de escape para un
motor de combustión interna de acuerdo con una forma de realización
preferida de la presente invención.
Las figuras 5A y 5B son grafos que muestran cada
uno de ellos distribuciones de elementos a lo largo de la dirección
de la profundidad de un tubo de escape para un motor de combustión
interna de acuerdo con una forma de realización preferida de la
presente invención, donde la distribución se obtiene a través de un
análisis GDS.
Las figuras 6A y 6B son grafos que muestran cada
uno de ellos distribuciones de elementos a lo largo de la dirección
de la profundidad de un tubo de escape convencional para un motor de
combustión interna, donde la distribución se obtiene a través de un
análisis GDS.
La figura 7 es un grafo que muestra
distribuciones de elementos a lo largo de la dirección de la
profundidad de una película de galvanizado de cromo, donde la
distribución se obtiene a través de un análisis XPS.
Las figuras 8A y 8B son grafos que muestran cada
uno de ellos distribuciones de elementos a lo largo de la dirección
de la profundidad de un tubo de escape convencional para un motor de
combustión interna, donde la distribución se obtiene a través de un
análisis XPS, y un grafo que muestra la energía de unión de cromo
tomada en dos puntos mostrados en la figura 8A.
La figura 9 es un diagrama para explicar la
distribución de una película cerámica en el tubo de escape para un
motor de combustión interna de acuerdo con una forma de realización
preferida de la presente invención.
La figura 10 es un grafo que muestra una
relación entre una relación de caudal de flujo de un gas que se
introduce en una cámara y la composición química de una película de
SiON.
La figura 11 es un grafo que muestra una
relación entre la concentración de gas nitrógeno, la concentración
de gas oxígeno y la diferencia de color \DeltaEº.
La figura 12 es un grafo que muestra una
relación entre un contenido porcentual de oxígeno de una película
de SiON y la diferencia de color \DeltaEº.
La figura 13 es un grafo que muestra una
relación entre un contenido porcentual de nitrógeno de una película
de SiON y la diferencia de color \DeltaE*.
La figura 14 es una vista lateral que muestra la
apariencia exterior de una motocicleta.
A continuación, se describirán formas de
realización preferidas de la invención con referencia a los dibujos
que se acompañan.
El inventor ha realizado un estudio en
profundidad de las razones por las que no se puede prevenir en una
medida suficiente la oxidación y/o decoloración a alta temperatura
sobre la superficie de un tubo de escape con una película de óxido
de silicio que se ha formado a través de un proceso de
sol-gel. Como resultado del estudio, se ha
encontrado que una película de óxido de silicio obtenida a través de
un proceso de sol-gel contiene un elemento metálico
que está presente en una medida predominante en la superficie del
tubo de escape, y que la oxidación del metal a una temperatura alta
provoca decoloración o deterioro de la superficie del tubo de
escape.
Además, en un proceso de
sol-gel, los compuestos orgánicos que se ligan al
silicio pueden estar sujetos a vaporización y descomposición
durante la cocción. Por lo tanto, se pueden producir huecos
diminutos en la película de óxido de silicio resultante, dando como
resultado de esta manera una capacidad de protección baja contra
gas. Por lo tanto, si el tubo de escape está expuesto a una
temperatura alta, presumiblemente, los metales en la superficie del
tubo de escape se pueden difundir en la película de óxido de silicio
y se pueden oxidar al ligarse con oxígeno externo, o el oxígeno
puede permear a través de la película de óxido de silicio para
provocar la oxidación de los metales de la superficie del tubo de
escape. Por lo tanto, en el caso de que estén contenidos metales en
la película de óxido de silicio o se hayan producido huecos
diminutos en la película de óxido de silicio, el hierro contenido
dentro de los metales que componen el tubo de escape puede formar
un depósito de óxido marrón-rojizo sobre la
superficie, degradando de esta manera la apariencia exterior del
tubo de escape.
Una película cerámica de un tubo de escape de
acuerdo con varias formas de realización preferidas de la presente
invención está formada de tal manera que el contenido porcentual de
un elemento metálico, que está presente de una manera dominante en
la superficie del tubo metálico (es decir, el elemento metálico que
compone substancialmente la superficie del tubo de metal) es no
mayor que 0,5% en masa. Por lo tanto, se puede decir que la
película cerámica no contiene substancialmente ningún elemento
dominante de la superficie de tubo metálico. Como resultado, se
previenen la decoloración, oxidación y deterioro de la superficie
del tubo metálico, como se describirá más adelante.
Entre tales películas cerámicas, el inventor ha
realizados varios estudios prestando una atención especial a las
películas de nitruro de óxido de silicio(SiON), encontrando
de esta manera que se pueden mejorar en gran medida los efectos de
prevención de la decoloración prescribiendo que el contenido
porcentual de oxígeno y el contenido porcentual de nitrógeno en la
película de SiON esté dentro de rangos específicos.
Específicamente, este efecto inesperado se obtiene prescribiendo
que el contenido porcentual de oxígeno y el contenido porcentual de
nitrógeno en la película de SiON sea 30% en masa o menos y 10% en
masa o más, respectivamente, como se describirá más adelante.
Además, el inventor ha encontrado que técnicas
de deposición de vapor, tales como técnicas de pulverización
catódica y técnicas de galvanizado iónico, son particularmente
adecuadas para formar una película cerámica (película de SiON) que
proporciona efectos excelentes de prevención de la decoloración,
como se ha descrito anteriormente. Convencionalmente, la formación
de película fina utilizando una técnica de deposición de vapor, tal
como una técnica de pulverización catódica ha sido practicada para
objetos a pequeña escala, tales como dispositivos de
semiconductores, pero no se ha practicado industrialmente para
objetos a gran escala, tales como tubos de escape debido a las
dificultades en la consecución de un cierto grado de vacío dentro
del aparato de deposición de vapor. Aparte de tal conocimiento
tecnológico común, el inventor ha adquirido el conocimiento
descrito anteriormente a través de su propia investigación
intensiva.
A continuación, se describirán varias formas de
realización de la presente invención con referencia a los
dibujos.
La figura 1 muestra una motocicleta 100, en la
que se utiliza un tubo de escape para un motor de combustión
interna de acuerdo con una forma de realización preferida de la
presente invención (que se puede referir en adelante simplemente
también como un "tubo de escape"). La motocicleta 100 incluye
un motor de combustión interna 1 y un tubo de escape 2, que está
conectado al motor de combustión interna 1.
El tubo de escape 2 está previsto para permitir
que el gas de escape, que es generado en el motor de combustión
interna 1, sea descargado en el lado trasero del cuerpo. El tubo de
escape 2 incluye una porción doblada 2a, que constituye una
trayectoria de escape substancialmente curvada para permitir que el
gas de escape que ha sido descargado por el lado delantero del
motor de combustión interna 1 sea guiado hacia la parte trasera, y
un silencioso 2b. El tubo de escape 2 puede estar formado
integralmente de una sola parte, o compuesto de una pluralidad de
partes, que están conectadas o realizadas integralmente entre
sí.
En la presente forma de realización preferida,
el tubo de escape 2 está expuesto con preferencia totalmente para
que aparezca sobre el exterior de la motocicleta 100, constituyendo
de esta manera una parte del diseño general de la motocicleta 100.
Como se describe de forma específica a continuación, los efectos y
ventajas únicas de las formas de realización preferidas de la
presente invención, es decir, que se previene la decoloración del
tubo de escape 2 y se mantiene la apariencia exterior fresca de una
motocicleta de nueva marca durante periodos de tiempo prolongados,
se mejoran más claramente en el caso de que se exponga todo el tubo
de escape 1. Sin embargo, mientras el tubo de escape 2 aparece al
menos parcialmente sobre el exterior, otra porción del tubo de
escape 2 puede estar cubierta por un carenado o un protector, en
función del diseño de la motocicleta. Además, la forma de la
motocicleta para la que está adaptado el tubo de escape para un
motor de combustión interna de acuerdo con formas de realización
preferidas de la presente invención, no está limitada a la mostrada
en la figura 1. Por ejemplo, el tubo de escape de acuerdo con una
forma de realización preferida de la presente invención se puede
adoptare en una motocicleta que tiene una estructura, como se
muestra en la figura 14.
La figura 2 es una vista de la sección
transversal que muestra una porción (porción 2a) del tubo de escape
2. El tubo de escape 2incluiye un tubo metálico 5 que incluye un
paso 6 a través del cual se permite el paso del gas de escape, y
una película cerámica 10 que cubre el tubo metálico 5 desde el
exterior. Dicho de otra manera, el gas de escape circula dentro del
tubo metálico 5, y la película cerámica 10 está prevista sobre el
lado exterior del tubo metálico 5.
Hay que indicar que el tubo metálico 5 solamente
tiene que incluir el paso 6. Por lo tanto, se puede adoptar una
estructura de doble tubo, de tal manera que un tubo interior que
incluye directamente el paso 6 está rodeado por otro tubo sobre el
lado exterior. Sin embargo, los efectos y ventajas de la presente
invención se mejorarán más en el caso de una estructura de un solo
tubo que encierra directamente el paso 6, debido a que es probable
que la temperatura alcance niveles altos sobre el lado exterior del
tubo metálico 5. Además, la película cerámica 10 solamente tiene
que estar prevista en una región en la que se espera la prevención
de la oxidación, para cubrir el tubo metálico 5 desde el exterior
con el fin de prevenir que el tubo metálico 5 entre en contacto con
el aire (por ejemplo, oxígeno). Otra película o capa se puede formar
adicionalmente entre el tubo metálico 5 y la película cerámica 10,
y otra película puede cubrir la película cerámica 10 desde el
exterior.
El tubo metálico 5 está compuesto de tubos de
acero al carbono para fines de estructuras de máquinas (STKM),
acero inoxidable (SUS), titanio, una aleación de titanio, una
aleación de níquel, una aleación de aluminio, u otro material
adecuado. Para mejorar el brillo metálico y la estética de la
superficie, la superficie del tubo metálico 5 puede estar cromada
para formar una capa de galvanizado (por ejemplo, galvanizado de
cromo) encima. Puesto que STKM no tiene brillo metálico suficiente
para proporcionar un alto nivel de estética, cuando se utiliza un
tubo metálico 5 compuesto de STKM, es preferible que la superficie
del tubo metálico sea cromada, o sea galvanizada con níquel y
cromo. Además, en el caso de utilización de un tubo metálico 5
compuesto de SUS, su superficie puede haber sido sometida a pulido
electrolítico.
La película cerámica 10 está compuesta con
preferencia de un material amorfo, que es de textura densa y es
poco probable que se oxide o se descomponga incluso a alta
temperatura. Hay que indicar que cuando se utiliza en la presente
memoria descriptiva, el término "cerámica" significa en sentido
amplio un material sólido, tal como un óxido, nitruro, o óxido de
nitruro de un metal o de un no metal. El término "cerámica"
comprende no sólo aquellos materiales que se forman por una técnica
que implica una etapa de cocción (como se ha practicado
tradicionalmente), sino también aquellos materiales que se forman
por una técnica de deposición de vapor, como se describirá
específicamente a continuación.
La película cerámica 10 de acuerdo con la
presente forma de realización preferida contiene con preferencia no
más que aproximadamente 0,5% en masa de un metal que es presente de
una manera dominante (típicamente a una relación de aproximadamente
50% o más) en la superficie del tubo metálico 5. Si está contenido
más que aproximadamente 0,05% en masa del elemento dominante de la
superficie del tubo metálico 5 en la película cerámica del tubo
metálico 5 en la película cerámica 10, este elemento metálico se
puede oxidar desde la superficie de la película cerámica 10 debido
a alta temperatura, causando posiblemente decoloración de la
superficie del tubo de escape 2. Además, también es posible que la
oxidación pueda progresar desde el metal oxidado hasta el interior
del tubo metálico 5. Por otra parte, en la película cerámica 10 de
acuerdo con la presente forma de realización preferida, el
contenido porcentual del elemento dominante de la superficie del
tubo metálico 5 es con preferencia aproximadamente 0,5% en masa o
menos, de manera que se previenen la decoloración y la oxidación
debidas a calor a alta temperatura. Cuando se tiene en cuenta la
apariencia exterior del tubo de escape 2, en el caso de que se
oxide el metal contenido en la película cerámica 10, el contenido
porcentual del elemento dominante de la superficie del tubo
metálico es con preferencia aproximadamente 0,4% en masa o menos, y
de una manera más preferida aproximadamente 0,3% en masa o
menos.
Hay que indicar que el contenido porcentual del
elemento dominante de la superficie del tubo metálico 5 puede tener
fluctuaciones locales dentro de la película cerámica 10. Sin
embargo, es todavía preferible que el contenido porcentual sea
aproximadamente 0,5% en masa o menos al menos en una porción central
de la película cerámica 10 a lo largo de la dirección del espesor.
Además, es preferible que el contenido porcentual del elemento
dominante de la superficie de tubo de metal 5 sea aproximadamente
0,5% en masa o menos en una porción que excluye la zona cerca de la
superficie interior (es decir, más cerca del tubo metálico 5) de la
película cerámica 10 y la zona cerca de la superficie exterior.
Suponiendo que la zona cerca de la superficie interior y la zona
cerca de la superficie exterior representan cada una de ellas
aproximadamente un 10% del espesor total de la película cerámica
10, tal porción correspondería aproximadamente al 80% de toda la
película cerámica 10.
Para asegurar que el contenido porcentual del
elemento dominante de la superficie del tubo metálico 5 es
aproximadamente 0,5% en masa o menos, cuando se forma la película
cerámica 10 sobre el lado exterior del tubo metálico 5, se utiliza
con preferencia un método que no permite que el elemento dominante
de la superficie del tubo metálico 5 se difunda en la película
cerámica 10. El inventor ha encontrado a través de varios estudios
que cuando se utiliza una técnica de deposición de vapor para formar
la película cerámica 10, es poco probable que el elemento dominante
de la superficie del tubo metálico 5 se difunda en la película
cerámica 10. Se ha encontrado también que una película cerámica que
se forma por una técnica de deposición de vapor es de textura densa
y, por lo tanto, tiene una alta capacidad de protección contra gases
a una temperatura de aproximadamente 500ºC, previniendo de esta
manera la oxidación de la superficie del tubo metálico 5.
En la presente memoria descriptiva, una
"técnica de deposición de vapor" se refiere a una técnica CVD
(deposición de vapor químico) y a una técnica PVD (deposición de
vapor físico), pero ambas permiten depositar la materia en un
estado gaseoso. Entre las técnicas de deposición de vapor, es más
preferible utilizar una técnica de deposición de vapor físico.
Puesto que una película que se forma por una técnica de galvanizado
iónico o una técnica de pulverización catódica es generalmente de
estructura densa, es particularmente preferible que la película
cerámica 10 se forme por una técnica de galvanizado iónico o una
técnica de pulverización catódica.
En el caso de adopción de una técnica de
pulverización catódica, es posible utilizar un aparato de
pulverización catódica DC, un aparato de pulverización catódica de
RF, un aparato de pulverización de magnetrones, un aparato de
pulverización de haz de iones, y otro aparato de pulverización
catódica adecuado. En el caso de que se utilice cualquiera de estos
métodos, se permite que las partículas de plasma colisionen contra
la superficie del tubo metálico 5 sobre la que debe depositarse la
película cerámica 10, decapando de esta manera la superficie del
tubo metálico 5. Utilizando este efecto, se puede retirar la
película de óxido (si existe) que se produce naturalmente sobre la
superficie del tubo metálico 5, mejorando de esta manera el contacto
entre la película cerámica 10 y el tubo metálico 5. En otras
palabras, es preferible que no se forme substancialmente ninguna
película de óxido del elemento metálico, que está presente de forma
predominante en la superficie del tubo metálico 5 entre la película
cerámica 10 y el tubo metálico 5. Incluso en el caso de que se forme
la película cerámica 10 por un método de deposición que no utiliza
plasma, sería preferible eliminar la película de óxido que se
produce naturalmente sobre la superficie del tubo de metal 5 por un
método físico o químico, antes de formar la película cerámica
10.
Una película cerámica 10, que se forma por una
técnica de deposición de vapor es básicamente una película amorfa,
y permanecerá amorfa incluso cuando se caliente a una alta
temperatura durante el funcionamiento del motor. Cuando se utiliza
aquí, una "película amorfa" es una película que carece de
estructura periódica larga que se puede observar como picos de
difracción por una técnica de difracción de rayos-X.
En función de las condiciones de formación, la película resultante
se puede cristalizar parcialmente cuando se calienta, pero esto no
planteará ningún problema en términos de capacidad de protección
contra gases.
Específicamente, la película cerámica 10 de
acuerdo con la presente forma de realización preferida es una
película de nitruro de óxido de silicio (SiON) que no contiene más
que aproximadamente 30% en masa de oxígeno (O) y no menos que
aproximadamente 10% en masa de nitrógeno (N). El inventor ha
prestado una atención especial a las películas de SiON entre otras
películas cerámicas y ha estudiado sus características desde varios
puntos de vista. Como resultado, el inventor ha encontrado que se
mejora drásticamente el efecto de prevención de la decoloración de
una película de SiON prescribiendo que los contenidos porcentuales
de oxígeno y nitrógeno en la película de SiON estén dentro de los
intervalos mencionados anteriormente, alcanzando de esta manera
varias formas de realización preferidas de la presente invención.
Los resultados del estudio de la relación entre los contenidos
porcentuales de oxígeno y nitrógeno y el efecto de prevención de la
decoloración se describirán específicamente a continuación. Antes
de eso, se describirá en primer lugar un método para la producción
del tubo de escape 2. A continuación, se describirá un ejemplo de
formación de la película cerámica 10 por una técnica de
pulverización catódica.
En primer lugar, se prepara un tubo metálico 5.
En el caso de que se utilice STKM como un material del tubo
metálico 5, es preferible realizar un cromato sobre la superficie
del tubo metálico 5 con el fin de mejorar el brillo metálico y la
estética.
A continuación, como se muestra en las figuras
3A y 3B, se introduce el tubo metálico 5 en una cámara 21 de un
aparato de pulverización catódica 20. El aparato de pulverización
catódica 20 ilustrado en las figuras 3A y 3B incluye una pluralidad
de soportes 24, cada uno de los cuales es capaz de retener y
suspender dos tubos metálicos 5 uno encima del otro, haciendo
posible de esta manera formar películas cerámicas 10 sobre una
multitud de tubos metálicos 5 simultáneamente. Cada soporte 24 gira
dentro de la cámara 21 mientras gira alrededor de un eje de pivote
23. Una pluralidad de objetivos 22 están previstos fuera de la
órbita a lo largo de la cual giran los soportes 24. En la presente
forma de realización preferida, en la que debe formarse una
película de nitruro de óxido como la película cerámica 10, se
utilizan con preferencia objetivos de silicio (o nitruro de
silicio) 22. La cámara 21 tiene con preferencia un diámetro interior
de \diameter 1, por ejemplo, de aproximadamente 1200 mm. Una
región efectiva (es decir, una región en la que tiene lugar una
formación de película real) puede ser un espacio cilíndrico
definido por un diámetro \diameter 2 de aproximadamente 1080 mm y
una altura de aproximadamente 1800 mm, por ejemplo. Utilizando el
aparato de pulverización catódica 20 que tiene una estructura de
este tipo, resulta posible formar la película cerámica 10 con un
espesor uniforme, totalmente alrededor del lado exterior de cada
tubo metálico 5, que tiene una forma tridimensional. También es
posible procesar muchos tubos metálicos 5 en un solo lote.
El tubo metálico 5 está colocado en cada soporte
24, t entonces se evacua la cámara 21 utilizando una bomba (no se
muestra). Una vez que el interior de la cámara 21 alcanza un grado
predeterminado de vacío, se introduce argón en la cámara 21 y
entonces se inicia una descarga eléctrica. Mientras se permite que
los soportes 24 giren alrededor de una órbita, se aplica una
tensión de polarización de tal manera que las partículas de plasma
generadas por la descarga eléctrica colisionan con cada tubo
metálico 5 y la superficie de cada tubo metálico 5 es decapada por
pulverización catódica inversa. La pulverización catódica inversa se
realiza preferentemente hasta que se ha eliminado completamente la
película de óxido que se produce naturalmente que está presente
sobre la superficie del tubo metálico 5. Tal película de óxido que
se produce naturalmente tiene generalmente un espesor en el
intervalo desde aproximadamente 2 nm hasta aproximadamente 3 nm.
Eliminando la película de óxido que se produce naturalmente, se
puede reforzar el contacto entre el tubo metálico 5 y la película
cerámica 10.
Después de la eliminación de la película de
óxido que se produce naturalmente, se introducen gas nitrógeno y
gas oxígeno en la cámara 21 y se inicia la descarga eléctrica. Se
aplica una tensión de polarización de tal manera que las partículas
de plasma colisionarán contra los objetivos, de manera que se inicia
la deposición de la película cerámica 10. En la presente forma de
realización preferida, las partículas de silicio que han sido
emitidas desde los objetivos reaccionan con plasma de nitrógeno y
plasma de oxígeno y se depositan sobre la superficie del tubo
metálico 4 en forma de una película de nitruro de óxido de silicio.
El tiempo de deposición debe determinarse de acuerdo con el espesor
pretendido de la película cerámica a formar, prestando atención al
mismo tiempo a condiciones tales como el número de objetivos y la
presión y la tensión de polarización durante la reacción. La
pulverización catódica se realiza durante un periodo de tiempo
predeterminado para formar la película cerámica 10 para tener un
espesor predeterminado sobre el lado exterior del tubo metálico 5,
de manera que se obtiene el tubo de escape 2.
La película cerámica 10 que se ha formado de
esta manera contiene no más que aproximadamente 0,5% en masa de un
elemento metálico que está presente en una medida predominante en la
superficie del tubo metálico 5. Se puede decir que la película
cerámica 10 no contiene substancialmente ningún metal dominante de
la superficie del tubo metálico 5. Por lo tanto, se previenen la
decoloración del tubo de escape 5 y el deterioro de la superficie
causados por oxidación de tal elemento metálico a una alta
temperatura. Como resultado, se previene la decoloración del tubo
de escape 5 causada por un gas de escape a alta temperatura, de
manera que se puede mantener una buena apariencia exterior. La
película cerámica 10 que se ha formado por una técnica de deposición
de vapor es de textura densa y, por lo tanto, tiene una buena
capacidad de protección. Por consiguiente, se previene que el
oxígeno externo alcance el tubo metálico 5 y se previene
efectivamente que el hierro que está contenido en el tubo metálico
5 se oxide para depositarse sobre la superficie.
El espesor de la película cerámica 10 es con
preferencia no menor que aproximadamente 5 nm y no mayor que
aproximadamente 300 nm. Si la película cerámica es más fina que
aproximadamente 5 nm, es difícil obtener una capacidad suficiente
de protección de gases y, por lo tanto, es difícil la prevención
completa de oxidación y decoloración de la superficie del tubo de
metal 5. Además, es difícil formar una película cerámica 10 que
cubre uniformemente el tubo metálico 5. Por otra parte, si la
película cerámica 10 es más gruesa que aproximadamente 300 nm, se
incrementa la cantidad de tiempo requerido para formar la película
cerámica 10 para reducir la producibilidad, lo que no es
preferible. Además, si la película cerámica 10 es más gruesa que
aproximadamente 300 nm o si la película cerámica 10 no tiene un
espesor completamente uniforme es probable que se observen colores
de interferencia, tales como colores iridiscentes, reduciendo de
esta manera la estética de la apariencia exterior. Desde el punto
de vista de la producibilidad de la película cerámica 10, el espesor
de la película cerámica 10 es con preferencia aproximadamente 50 nm
o menos, y de una manera más preferida aproximadamente 40 nm o
menos. Si el espesor de la película cerámica 10 está en el intervalo
entre aproximadamente 5 nm y aproximadamente 30 nm, se puede
obtener una película cerámica 10 que está libre de colores de
interferencia y es incolora y transparente, independientemente del
material y de la magnitud del índice de refracción.
Como se muestra en la figura 4, la superficie
del tubo metálico 5 tiene con preferencia una rugosidad superficial
grande con relación al espesor de la película cerámica 10.
Específicamente, la superficie del tubo metálico 5 tiene con
preferencia una rugosidad media Ra de aproximadamente 0,4 \mum o
más. Si la rugosidad media es menor que aproximadamente 0,4 \mum,
cuando se refleja luz visible desde la superficie del tubo metálico
5, se puede producir intensificación mutua si la diferencia de la
trayectoria óptica entre frentes de ondas reflejadas desde muescas
adjuntas es igual a un múltiplo entero de la longitud de onda,
provocando de esta manera luz difractada. Si esto sucede, se puede
degradar la apariencia exterior estética del tubo de escape 2.
Además, si la rugosidad media es tan pequeña que la superficie del
tubo metálico 5 es lisa, la película cerámica 10 puede tener un
contacto pobre con la superficie del tubo metálico 5. No existe
ningún límite superior para el valor de la rugosidad media Ra de la
superficie del tubo metálico 5. Sin embargo, si la rugosidad media
Ra de la superficie del tubo metálico 5 es aproximadamente 3,2
\mum o más, se pueden ver afectadas la capacidad comercial y la
estética de una manera no deseable debido a la baja reflexión de la
luz.
Por lo tanto, sobre la superficie de un tubo
metálico que tiene una rugosidad superficial que es mayor que un
rango de rugosidad superficial, en el que es previsible que se
produzca luz difractada para luz visible, se forma una película
cerámica y tiene un espesor que es menor que un rango de espesor en
el que es previsible que se produzcan flecos de interferencia para
luz visible. Como resultado, se obtiene un tubo de escape que tiene
un brillo metálico uniforme, de tal manera que si un gas de escape a
alta temperatura pasa a través del mismo, no se produce oxidación o
decoloración de la superficie y se obtiene buen contacto evitando al
mismo tiempo los flecos de interferencia.
En primer lugar, con respecto a los tubos de
escape de acuerdo con formas de realización preferidas de la
presente invención y a un tubo de escape como se describe en la
publicación de patente japonesa Nº 2002-332838,
mencionada anteriormente, se ha examinado la distribución de
elementos a lo largo de una dirección de profundidad. Como un
ejemplo del tubo de escape de acuerdo con una forma de realización
preferida de la presente invención (figuras 5A y 5B), se preparó un
tubo metálico compuesto de SUS304 y sobre este tubo metálico se
formó una película de nitruro de óxido de silicio (como una
película cerámica) utilizando una técnica de pulverización
catódica. La formación de la película de nitruro de óxido de silicio
se realizó de la siguiente manera. El tubo metálico (que había sido
sometido a galvanizado de cromo) se colocó en una cámara de un
aparato de pulverización de magnetrones, y se evacuó la cámara
hasta que alcanzó un grado de vacío de aproximadamente 3 x
10^{-3} Pa. Posteriormente, se introdujo argón en la cámara con
un caudal de aproximadamente 100 sccm. Manteniendo al mismo tiempo
una presión de aproximadamente 3 x 10^{-1} Pa, se realizó una
pulverización inversa durante aproximadamente 10 minutos
suministrando potencia a 800 V y 5 A (4 KW), eliminando de esta
manera la película de óxido que se produce naturalmente sobre la
superficie de tubo de metal. Posteriormente se introdujeron
nitrógeno y oxígeno en la cámara y utilizando un objetivo de silicio
se realizó una pulverización catódica durante aproximadamente 5
minutos suministrando potencia a 800 V y 5 A (4 KW), manteniendo al
mismo tiempo una presión de aproximadamente 3 x 10^{-1} Pa,
formando de esta manera una película de nitruro de óxido de silicio
que tiene un espesor de aproximadamente 40 nm sobre la superficie de
tubo de metal.
Como un ejemplo convencional (figuras 6A y 6B),
se preparó un tubo metálico compuesto de STKM, cuya superficie
había sido sometida a galvanizado de níquel (revestimiento inferior)
y galvanizado de cromo (revestimiento superior), y se formó encima
una película de óxido de silicio (como una película cerámica) a
través de un proceso de sol-gel. Con respecto a los
tubos de escape de acuerdo con una forma de realización preferida de
la presente invención y al tubo de escape convencional obtenido de
esta manera, se midió la distribución de elementos a lo largo de la
dirección de profundidad utilizando una técnica GDS (espectroscopia
de descarga de brillo).
La figura 5A muestra distribuciones de elementos
a lo largo de la dirección de profundidad de un tubo de escape de
acuerdo con una forma de realización preferida de la presente
invención. La figura 5B es un diagrama ampliado que muestra
distribuciones de elementos en la zona próxima a la superficie en la
figura 5A. Como está claro a partir de estas figuras, de acuerdo
con el tubo de escape acorde con una forma de realización preferida
de la presente invención, el hierro, que es un elemento dominante de
la superficie del tubo metálico, apenas está contenido en la
película de nitruro de óxido de silicio (película cerámica).
Específicamente, la concentración de elementos de hierro en la
película de nitruro de óxido de silicio comienza en aproximadamente
0,5% o menos, como se muestra en la figura 5B y se incrementa
rápidamente en el límite entre la película de nitruro de óxido de
silicio y el tubo metálico.
La figura 6A muestra distribuciones de elementos
a lo largo de la dirección de profundidad del tubo de escape
convencional. La figura 6B es un diagrama ampliado que muestra
distribuciones de elementos en la zona próxima a la superficie en
la figura 6A. Como está claro a partir de estas figuras, en el tubo
de escape convencional, el cromo, que es un elemento dominante de
la superficie del tubo metálico, está contenido en una cantidad
relativamente grande en la película de óxido de silicio, que ha sido
formada a través de proceso de sol-gel.
Específicamente, la concentración de elementos de cromo en la
película de óxido de silicio es aproximadamente 4% en masa. En el
límite entre la película de óxido de silicio y el galvanizado de
cromo, se incrementa más bien lentamente la concentración de cromo.
El perfil de la concentración de oxígeno muestra en, comparación
con el silicio, el oxígeno penetra profundamente en el interior del
tubo de escape y con una tasa alta. Esto indica presumiblemente que
se ha difundido cromo en la película de óxido de silicio que se ha
formado a través de proceso de sol-gel, y oxígeno
que es ligado al cromo (es decir, óxido de cromo) está presente en
el límite entre la película de óxido de silicio y el galvanizado de
cromo.
Con el fin de examinar el estado del límite
entre la película de óxido de silicio y el galvanizado de cromo en
el tubo de escape convencional, se midieron, además, por una técnica
XPS (espectroscopia de fotoelectrones de rayos-X).
En primer lugar, para examinar el espesor de la película de óxido
que se produce naturalmente sobre el galvanizado de cromo, se
produjo una muestra galvanizada de cromo, y se examinaron las
concentraciones de cromo a lo largo de la dirección de su
profundidad por una técnica XPS. Como se muestra en la figura 7, la
película de óxido de cromo que se produce naturalmente tenía un
espesor que sería equivalente aproximadamente a 5 minutos de tiempo
de pulverización catódica.
La figura 8A muestra distribuciones de elementos
a lo largo de la dirección de la profundidad del tubo de escape
convencional como se mide por una técnica XPS. Como está claro a
partir de la figura, la concentración de oxígeno (O1s), que
permanece constante dentro de la película de óxido de silicio, se
reduce en dos etapas en la interfaz con el galvanizado de cromo,
como se muestra en círculo por líneas discontinuas C1 y C2. La
reducción (C2) más próxima a la interfaz con el galvanizado de cromo
sería equivalente aproximadamente a 5 minutos de tiempo de
pulverización catódica y, por lo tanto, se considera que representa
el oxígeno contenido en la película de óxido de cromo que se
produce naturalmente.
Por otra parte, para examinar el estado de cromo
en una región en la que se produce la reducción C1 en la
concentración de oxígeno, se midió la energía de unión de electrones
de cromo de valencia 2p en tiempos de pulverización catódica T1 y
T2. Los resultados de la medición se muestran en la figura 8B. En el
instante de pulverización T2, los elementos distintos a cromo están
substancialmente ausentes y, por lo tanto, es presumible que
solamente existe cromo en la profundidad indicada por el tiempo de
pulverización catódica T2. Por lo tanto, el perfil T2 en la figura
8B representa la energía de unión entre átomos de cromo (unión
metálica). Por otra parte, el perfil T1 está desviado hacia el lado
de energía más alta, indicando de esta manera cromo en un estado
oxidado. Se considera que este óxido de cromo ha sido generado
cuando se forma la película de óxido de silicio a través de un
proceso de sol-gel.
Por lo tanto, se ha mostrado que, en comparación
con el tubo de escape convencional, el tubo de escape 2 de acuerdo
con una forma de realización preferida de la presente invención se
caracteriza porque un elemento metálico, que está presente de una
manera dominante en la superficie del tubo metálica 5, está
substancialmente ausente (es decir, aproximadamente 0,5% en masa o
menos) de la película cerámica 10.
La figura 9 es un diagrama esquemático que
muestra una distribución ejemplar del espesor de la película en un
tubo de escape que está formado por el método descrito
anteriormente. Un valor porcentual en cada cabeza de flecha en la
figura 9 representa una relación de espesor obtenido actualmente con
respecto a un valor objetivo. Como está claro a partir de la
figura, es posible formar la película cerámica 10 dentro de
fluctuaciones de aproximadamente \pm 30%, incluso si el tubo de
escape tiene una forma tridimensionado doblada complicada. Por lo
tanto, se puede ver que una técnica de deposición de vapor físico es
capaz de formar una película cerámica uniforme 10.
El ejemplo convencional descrito anteriormente
se refiere a una película de óxido de silicio que ha sido formada a
través de un proceso de sol-gel. No obstante, hay
que indicar que cualquier película de óxido de metal formada por
una técnica que ha sido utilizada convencionalmente para revestir un
tubo de escape (por ejemplo, una técnica de aplicar una solución
que contiene un compuesto metálico sobre una superficie de tubo de
escape a través de aplicación o inmersión, seguida por una cocción)
mostraría también una densidad pobre, lo mismo que una película de
óxido de silicio formada a través de un proceso de
sol-gel. Por ejemplo, en el caso de que la solución
de compuesto metálico contenga un compuesto orgánico, se producirá
vaporización y descomposición del compuesto orgánico ligado a un
metal durante la cocción, permitiendo de esta manera que se formen
huecos diminutos y se vuelva la película porosa. Además, puesto que
tal técnica oxida (a través de la cocción) un metal que está
contenido en una película que ha sido formada una vez, se reduce la
densidad de la película a través de oxidación, y la oxidación
continuará progresando durante el uso siguiente.
A continuación, con el fin de estudiar la
relación entre los contenidos porcentuales de nitrógeno y de
oxígeno en una película de nitruro de óxido de silicio (película de
SiON) y sus efectos de prevención de la decoloración, se formaron
películas de SiON sobre la superficie del tubo metálico 5 en varias
condiciones y se sometieron a un ensayo de calentamiento a alta
temperatura. El contenido porcentual de nitrógeno y el contenido
porcentual de oxígeno en la película de SiON se variaron ajustando
la relación de caudal entre gas nitrógeno y gas oxígeno
introducidos en la cámara 21 del aparato de pulverización catódica
20. Se utilizó un tubo metálico 5 que había sido compuesto de
SUS304. El ensayo de calentamiento a alta temperatura se realizó
dejando el tubo de escape 2 en la atmósfera a 500ºC durante 24
horas, y examinando la decoloración de la superficie del tubo de
escape 2. Los resultados se muestran en la Tabla 1 siguiente.
Como para las evaluaciones térmicas, se midió
una diferencia de color \DeltaE* en el sistema de color L*a*b*, y
se evaluaron cuatro grados de decoloración: la diferencia \DeltaE*
antes y después del calentamiento era 1 o menos ((O)); más de 1,
pero 2 o menos (O); más de 2, pero 3 o menos (\Delta); y más de 3
(X). La Tabla 1 muestra la composición química de cada película de
SiON resultante. La relación entre la composición química y la
relación de caudal se muestra en la figura 10. Como se muestra en la
figura 10, a medida que se incrementa la proporción de gas
nitrógeno, se incrementa el contenido porcentual de nitrógeno en la
película de SiON y se reduce el contenido porcentual de
oxígeno.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
Se puede ver a partir de la Tabla 1 que a medida
que se incrementa la proporción de gas nitrógeno, es decir, a
medida que se incrementa el contenido porcentual de nitrógeno y se
reduce el contenido porcentual de oxígeno en la película de nitruro
de óxido de silicio, existe menos oxidación superficial y
decoloración a altas temperaturas, de manera que se mantiene una
buena apariencia exterior. Específicamente, como se puede ver a
partir de la Tabla 1 y de la figura 10, se puede obtener un buen
efecto de prevención de la oxidación y se previenen la decoloración
y el deterioro de la superficie del tubo de escape 2 cuando el
contenido porcentual de nitrógeno es 10% en masa o más y el
contenido porcentual de oxígeno es 30% en asa o menos.
Ahora, si se presta atención a la diferencia de
color \DeltaE* en la Tabla 1, se puede ver que la diferencia de
color \DeltaE* se incrementa drásticamente una vez que el
contenido porcentual de nitrógeno y de oxígeno caen fuera de los
rangos mencionados anteriormente. La figura 11 muestra la relación
entre el las concentraciones de gas nitrógeno y gas oxígeno y la
diferencia de color \DeltaE*. Como se muestra en la figura 11,
\DeltaE* se incrementa drásticamente una vez que la concentración
de gas nitrógeno es menor que un cierto valor (es decir, que la
concentración de gas oxígeno es mayor que un cierto valor). Esto
indica que las características de la película de nitruro de óxido
de silicio están sujetas a cambios críticos, de tal manera que se
mejoran en gran medida los efectos de prevención de la decoloración
y la oxidación prescribiendo que el contenido porcentual de
nitrógeno y el contenido porcentual de oxígeno estén dentro de los
rangos mencionados anteriormente.
La figura 12 muestra la relación entre el
contenido porcentual de oxígeno en la película de SiON y la
diferencia de color \DeltaE*. La figura 13 muestra la relación
entre el contenido porcentual de nitrógeno en la película de SiON y
la diferencia de color \DeltaE*. Se puede ver a partir de las
figuras 1 2 y 13 que la diferencia de color \DeltaE* antes y
después del calentamiento se puede reducir en una medida suficiente
prescribiendo que el contenido porcentual de oxígeno y el contenido
porcentual de nitrógeno en la película de SiON sea aproximadamente
30% en masa o menos y aproximadamente 10% en masa o más,
respectivamente, de manera que se obtiene un buen efecto de
prevención de la oxidación.
El inventor desconoce la razón de tales efectos
inesperados. Sin embargo, durante el calentamiento hasta una
temperatura alta, se produce un fenómeno en el que silicio contenido
en la película de nitruro de óxido de silicio se liga al oxígeno
externo y en su lugar libera hacia el tubo metálico el oxígeno al
que se ha ligado originalmente el silicio. Es presumible que es
menos probable que se produzca este fenómeno, ya que se reduce el
contenido porcentual de oxígeno, es decir, a medida que se
incrementa el contenido porcentual de nitrógeno.
Desde el punto de vista de la mejora del efecto
de prevención de la decoloración, es preferible incrementar el
contenido porcentual de oxígeno e incrementar el contenido
porcentual de nitrógeno en la película de SiON en la mayor medida
posible. Más preferentemente, el contenido porcentual de oxígeno es
5% en masa o menos y el contenido porcentual de nitrógeno es 40% en
masa o más.
Sin embargo, con el fin de reducir
suficientemente el contenido porcentual de oxígeno en la película
de SiON, será necesario evacuar el interior de la cámara 21 para
alcanzar un grado de vacío suficientemente grande y entonces no
introducir nada, salvo el gas nitrógeno en la cámara 21 antes de
realizar la pulverización catódica. Por ejemplo, con el fin de
alcanzar un contenido porcentual de oxígeno de 5% en masa o menos,
es necesario prescribir que el grado de vacío en la cámara 21 sea
aproximadamente 1 x 10^{-4} Pa o menos. La prescripción del grado
de vacío 21, que es suficientemente grande para alojar una parte tan
grande como el tubo de escape 5 hasta el valor alto mencionado
anteriormente, puede requerir una cantidad incrementada del tiempo
de producción, que sería desventajoso para la producción. Incluso si
se realizan largas horas de evacuación utilizando una bomba de alto
rendimiento, será todavía imposible que la cantidad de oxígeno
residual y la cantidad de oxígeno que sale desde la pieza de
trabajo, plantillas, aparatos, etc. llegue a cero. Por lo tanto, en
la producción real, es muy difícil conseguir un contenido porcentual
de oxígeno menor que aproximadamente 1% en masa.
Por otra parte, con el fin de asegurar que el
contenido porcentual de oxigeno sea mayor que aproximadamente 5% en
masa, pero aproximadamente 30% en masa, o menos y que el contenido
porcentual de nitrógeno sea aproximadamente 10% en masa o más, pero
menor que aproximadamente 40% en masa, el grado de vacío en la
cámara 21 solamente tiene que ser aproximadamente 1 x 10^{-3} Pa.
Por lo tanto, la prescripción de tales rangos para los contenidos
porcentuales de oxígeno y nitrógeno reducirá el tiempo requerido
para la producción, que es muy ventajoso para la producción. Hay
que indicar que incluso si el contenido porcentual de oxígeno y
nitrógeno están prescritos para situarse dentro de tales rangos,
como se muestra en la Tabla 1, se puede reducir la diferencia de
color \DeltaE* suficientemente pequeña (por ejemplo 1 ó menos) y
se obtiene un efecto de prevención de la oxidación adecuado, puesto
que, como se ha descrito anteriormente, las formas de realización
preferidas de la presente invención utilizan las características
únicas de una película de SiON, es decir, que se mejora su efecto de
prevención de la oxidación drásticamente asegurando que el
contenido porcentual de oxígeno y nitrógeno en la película cae
dentro de rangos específicos.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un tubo de escape para un motor de combustión interna
que puede prevenir de una manera fiable la decoloración y la
oxidación debidas a un gas de escape a alta temperatura.
El tubo de escape para un motor de combustión
interna de acuerdo con varias formas de realización preferidas de
la presente invención se puede utilizar en una amplia variedad de
aplicaciones, incluyendo un vehículo que tiene un motor de
combustión interna (por ejemplo, una motocicleta o un vehículo de
cuatro ruedas todo terreno) y un aparato de transporte que tiene un
motor de combustión interna (por ejemplo, un barco o un avión).
Claims (14)
1. Un tubo de escape (2) para un motor de
combustión interna (1), en el que el tubo de escape comprende:
un tubo de metal (5) que encierra un paso (6) a
través del cual pasa un gas de escape desde el motor de combustión
interna (1); y
una película cerámica (10) que cubre el tubo de
metal (5) desde el exterior,
caracterizado porque la película cerámica
(10) contiene no más que aproximadamente 0,5% en masa de un elemento
metálico, que está presente en una medida dominantes en una
superficie del tubo metálico (5); en el que
la película cerámica (10) es una película de
SiON que contiene 30% en masa o menos de oxígeno y 10% en masa o
más de nitrógeno.
2. El tubo de escape (2) de la reivindicación 1,
en el que la película cerámica (10) contiene aproximadamente 5% en
masa o menos de oxígeno y aproximadamente 40% en masa o más de
nitrógeno.
3. El tubo de escape (2) de la reivindicación 1
ó 2, en el que la película cerámica (10) está dispuesta directamente
sobre la superficie del tubo metálico (5).
4. El tubo de escape (2) de una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 3, en el que la película cerámica (10)
tiene un espesor en un intervalo no menor que aproximadamente 5 nm y
no más que aproximadamente 300 nm.
5. El tubo de escape (2) de una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 3, en el que la película cerámica (10)
tiene un espesor en un intervalo no menor que aproximadamente 5 nm y
no más que aproximadamente 30 nm.
6. El tubo de escape (2) de la reivindicación 4
ó 5, en el que el tubo metálico (5) tiene una rugosidad superficial
Ra en el intervalo no menor que aproximadamente 0,4 \mum y no
mayor que aproximadamente 3,2 \mum.
7. El tubo de escape (2) de una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 6, en el que el tubo metálico (5) está
compuesto de titanio, una aleación de titanio, o acero
inoxidable.
8. El tubo de escape (2) de una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 6, en el que el tubo metálico (5) incluye
una capa de revestimiento de cromo localizada sobre una superficie
del mismo.
9. El tubo de escape (2) de una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 8, en el que no está presente
substancialmente ninguna película de óxido del elemento metálico
que esté presente en una medida dominante en la superficie del tubo
metálico (5) entre el tubo metálico (5) y la película cerámica
(10).
10. El tubo de escape (2) de una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 9, en el que la película cerámica (10) es
una película depositada con vapor formada por una técnica de
deposición con vapor.
11. El tubo de escape (2) de la reivindicación
10, en el que la película cerámica (10) es una película depositada
con vapor por una técnica de pulverización catódica o una técnica de
galvanizado de iones.
12. El tubo de escape (2) de una cualquiera de
las reivindicaciones 1 a 11, en el que el tubo metálico (5) tiene
una rugosidad superficial mayor que un intervalo de rugosidad
superficial, en el que es previsible que se produzca luz difractada
para luz visible, y la película cerámica (10) tiene un espesor
similar a un intervalo de espesor en el que es previsible que se
produzcan flecos de interferencia para luz visible.
13. Un motor de combustión interna (1) que
comprende el tubo de escape (2) de una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 12.
14. Un aparato de transporte (100) que comprende
el motor de combustión interna (1) de la reivindicación 13.
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