ITRM980268A1 - Procedimento per il rivestimento con nitruro di alluminio delle superfici di scorrimento dei cilindri di un basamento in lega a - Google Patents
Procedimento per il rivestimento con nitruro di alluminio delle superfici di scorrimento dei cilindri di un basamento in lega aInfo
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Description
DESCRIZIONE
a corredo di una domanda di brevetto per invenzione dal titolo:
"Procedimento per il rivestimento con nitruro di alluminio delle superfici di scorrimento dei cilindri di un basamento in lega a base di alluminio"
L'invenzione di riferisce ad un procedimento per il rivestimento con nitruro di alluminio della superficie di scorrimento di cilindri di un basamento, dove il basamento è fatto di una lega a base di Al.
Tenuto conto della riduzione delle masse statiche e mosse e di conseguenza della economia di carburante nonché della ulteriore riduzione di sostanze nocive, si impiegano in misura crescente leghe di metalli leggeri a base di alluminio nella costruzione di motori. Un esempio per la riduzione di masse mobili è dato da stantuffi in alluminio, che sono già conosciuti da lungo tempo. Un esempio per la riduzione di masse statiche è quello dell'impiego di basamenti in metallo leggero fatti di lega a base di Al, per esempio materiali di Ai-Si eutettici prodotti mediante pressofusione (per esempio Al 8 e Si-Cu).
Attualmente non si può fare a meno della colata di camicie di cilindro, ma questo modo di procedere non è interamente soddisfacente in ogni punto. Innanzitutto ne risulta un peso maggiore, e d'altra parte la congiunzione della camicia alla lega in Al rappresenta una transizione sensibile per quanto riguarda lo scambio termico nei canali di liquido refrigerante. In caso di gravi carenze è possibile anche un distacco della camicia, il che comporta la distruzione del motore.
In base alle problematiche menzionate, che possono insorgere nell'impiego di una camicia colata in basamenti di Al, se ne deve dedurre che in linea di massima varrebbe la pena di ricercare l'impiego di basamenti senza camicia, cosa che non può tuttavia essere realizzata senza misure supplementari per quanto riguarda la superficie di scorrimento del cilindro.
Da un lato, il materiale a base di Al offre una resistenza di supporto minore in confronto con leghe a base di ferro per gli stantuffi, con la conseguenza di una usura maggiore nel rodaggio con conseguenti ripercussioni negative per quanto riguarda la compressione, il consumo di olio e di carburante nonché in linea generale la stabilità del lungo periodo della macchina, per esempio nell'ambito dei cuscinetti di biella. D'altra parte l'abbinamento di materiale tra basamento in Al e stantuffo in Al rappresenta un sistema non ottimale per quanto riguarda le proprietà tribologiche.
Per la conversione ad una soluzione senza camicia nei basamenti in Al sarà di conseguenza necessario modificare la superficie della pista, ossia costruire uno strato avente una composizione chimica diversa da quella del materiale a base di Al, che soddisfi i requisiti di resistenza meccanica e che presenti anche valori vantaggiosi per quanto riguarda le sue proprietà tribologiche. Oltre a ciò una ulteriore esigenza è che lo strato presenti valori vantaggiosi per quanto riguarda la conduttività termica.
Tenuto conto delle proprietà necessarie citate sopra, sarebbe vantaggioso l'impiego di un materiale ceramico non ossidico, preferibilmente nitruro di alluminio (AlN).
L'AlN è un materiale duro con conduttività termica relativamente-elevata per materiali ceramici. Oltre a ciò sono da attendersi buone proprietà tribologiche per quanto riguarda la combinazione strato di AlN/stantuffo di Al. La costruzione di uno strato ceramico ossidico, per esempio ossido di alluminio - Al203 - è invece meno vantaggioso a causa delle proprietà corrispondenti del materiale. Oltre a ciò è noto che per esempio strati di A1203 contenuti mediante anodizzazione non resistono in misura sufficiente ad un carico meccanico alternato superiore e tendono a staccarsi.
Specialmente per quanto riguarda la capacità di carico meccanico, sono necessari nell'impiego di A1N strati relativamente spessi nell'ambito di almeno alcuni 10 x 10<-6 >m. Tenuto conto della tecnologia di rivestimento e considerato il caso di applicazione previsto, ciò rappresenta l'impiego di un procedimento di rivestimento in quantità elevate, preferibilmente di un procedimento a plasma in fase gassosa.
Elevate quantità di applicazione in processi a plasma corrispondenti sono conosciute dal processo di spruzzatura a plasma affermato dal punto di vista tecnico. Si tratta qui di un procedimento tipico a strato spesso, in cui il materiale di rivestimento presente in forma di polvere viene fuso almeno parzialmente in un getto di plasma di una scarica in regime di arco con corrente elevata, e viene applicato con energia cinetica relativamente elevata ad un elemento strutturale. L'applicazione di strati di AlN mediante questa spruzzatura a plasma convenzionale è in linea di massima possìbile. Per il caso di applicazione qui previsto il procedimento appare tuttavia poco adatto. Da un lato non avviene un ancoraggio ottimale dello strato applicato a spruzzo con il materiale di base, e d'altro lato non si ottiene un materiale omogeneo. I due fattori sono sfavorevoli in relazione ad una resistenza nel lungo periodo sotto il carico meccanico alternato presente nel caso di applicazione previsto.
Oltre a ciò esistono problemi nella conduzione del processo in quanto che sono necessarie costruzioni speciali delle teste spostatrici di plasma per la lavorazione degli alesaggi.
Oggetto dell'invenzione è dunque di realizzare uri procedimento con il quale su una lega a base di Al (per esempio AlSi8Cu, AlSi9Cu, AlSi10Cu come leghe pressoché eutettiche) di un basamento viene ancorato solidamente nell'ambito delle superfici di scorrimento del cilindro un materiale di base, e a partire dalla costruzione si può applicare uno strato omogeneo di nitruro di alluminio (A1N). Con il procedimento dovrebbe essere inoltre possibile applicare lo strato di nitruro di alluminio anche a strutture di piste predeterminate, per esempio mediante un processo di levigatura. Non dovrebbe essere necessario un successivo post-trattamento. Il procedimento dovrebbe poter essere impiegato non soltanto nella produzione di motori, ma anche nella riparazione di dispositivi consumati.
Questo problema viene risolto mediante l'oggetto della rivendicazione 1. Forme di esecuzione vantaggiose nonché il basamento rivestito di A1N stesso sono oggetto di ulteriori rivendicazioni.
Secondo la presente invenzione, il rivestimento con A1N avviene mediante nitrazione superficiale del basamento in Al. L'azoto attivato necessario per questo scopo viene prodotto mediante un processo a plasma ad alta pressione, partendo da azoto molecolare.
L'invenzione verrà meglio illustrata in ciò che segue dalle Figure. Nei disegni:
La Figura 1 rappresenta una disposizione per il rivestimento della superficie di scorrimento di un cilindro di basamento mediante una scarica di plasma a microonde;
la Figura 2 mostra una disposizione per il rivestimento della superficie di scorrimento di un cilindro di un basamento mediante una scarica con effetto da corona o con effetto da barriera.
Per il rivestimento delle superfici di scorrimento di cilindri ZL del basamento KG si produce mediante la disposizione illustrata nella Figura 1 nell'alesaggio Z del basamento KG un plasma ad alta pressione mediante accoppiamento di energia di microonde. La radiazione di microonde viene creata con un magnetrone non qui rappresentato e qui data mediante conduttori cavi o conduttore coassiali al basamento KG. L'accoppiamento di MW (microonde) avviene vantaggiosamente tramite una antenna di accoppiamento AT alle frequenze tecnicamente affermate di 0,915 GHz e 2,46 GHz. La scelta di queste frequenze è orientata qui esclusivamente in base all'ampia disponibilità di componenti di MW corrispondenti. L'applicazione di altre frequenze nella banda delle microonde è in linea di massima altrettanto possibile. Per quanto riguarda una maggiore ampiezza di variazione dei parametri di plasma, è in aggiunta presente una sovrapposizione di un campo elettrico stazionario o ad impulsi con orientamento radiale differenziale dei vettori di campo elettrici. L'adduzione dei gas di processo avviene attraverso una apertura in una flangia a coperchio AF, che è disposta sul lato frontale dell'alesaggio Z.
Secondo la disposizione conforme alla Figura 2, viene creato un plasma ad alta pressione mediante una scarica con effetto da corona o con effetto da barriera nell'alesaggio Z del basamento. Nell'alesaggio Z viene introdotto un elettrodo centrale EZ, sul quale sono disposti, nell'esecuzione illustrata, ulteriori dischi spruzzatori S. I dischi spruzzatori sono conformati preferibilmente con spigoli fortemente orientati verso l'esterno, per cui si formano elevati gradienti elettrici di campo e di conseguenza esiste una elevata probabilità di emissione di campo per elettroni. Tra l'elettrodo centrale EZ e il basamento KG è applicata controelettrodo una elevata tensione elettrica. Le scariche possono essere azionate sia in maniera fissa che in maniera . di impulsi, le scariche ad impulsi consentendo una maggiore ampiezza di variazione dei parametri del plasma.
Anche se le scariche di plasma descritte nelle Figure 1 e 2 sono generate da differenti processi fisici, la tecnica di processo altrimenti necessaria è tuttavia identica e verrà descritta nel seguito.
Per quanto riguarda un buon ancoraggio dello strato di AlN nel materiale di base, si può allontanare innanzitutto, in una prima fase del procedimento, lo strato di copertura ossidico naturale della lega a base di Al, costituito essenzialmente da Al203 nonché SiO2. Nel caso presente si impiega a questo scopo un processo riduttivo a gas e a corpi solidi, impiegando idrogeno.
A questo riguardo va tenuto presente che mediante idrogeno molecolare non è possibile una riduzione degli ossidi interessati, a causa di restrizioni chimiche-termodinamiche. E' piuttosto necessario questo scopo idrogeno atomico, il quale può essere prodotto a partire da idrogeno molecolare mediante scariche di plasma sufficientemente ricche di energia. Le reazioni interessate possono essere formulate come segue:
3H2 = 6H (reazione a plasma) (1) AI2O3+6H = 2Al 3H20 (2) L'idrogeno molecolare, può essere impiegato a questo fine come gas puro oppure sotto forma di gas operativi contenenti idrogeno, per esempio come gas di formazione (azoto con contenuti variabili di idrogeno, di solito circa 70-95% di N2, il resto H2) .
Mediante l'allontanamento dello strato di ossido naturale, la reattività del materiale di base viene aumentata per quanto riguarda la nitrazione, ossia solo così viene resa possibile una nitrazione. Una nitrazione del materiale di base rappresenta a questo riguardo la formazione di miscele stechiometriche di AlN e Si3N4 nella superficie del materiale di base.
Questa nitrazione superficiale viene realizzata per il fatto che, eventualmente dopo avvenuto l'allontanamento dello strato di ossido naturale, si può fare a meno di azoto puro come gas di processo. Con la premessa di energie di plasma sufficientemente elevate, si ottiene azoto attivato, con cui si intende una miscela di atomi di azoto nonché in particolare molecole di azoto ·elettronicamente citate.
2N2 = 2N -(3) .
N2 - (N2)* (4)
L'azoto attivato presenta una probabilità di diffusione sensibilmente maggiore nel materiale di base, di quanto avvenga per l'azoto molecolare non attivato. Ciò ha come conseguenza una maggiore reattività rispetto alla formazione di nitruro nella superficie del materiale di base. Lo spessore dello strato per la superficie dello strato di A1N è il seguente: 5-20 10<-6 >m.
In casi di applicazione nei quali lo spessore dello strato di nitruro superficiale non è sufficientemente grande, è possibile in una ulteriore fase del procedimento applicare uno strato di A1N puro allo strato di nitruro superficiale. Lo spessore dello strato per lo strato di A1N puro è il seguente: circa 5-10 10<-6>m.
L'attivazione dei componenti reattivi avviene in un processo a plasma ad alta pressione reattivo. A tale scopo si aggiunge all'azoto puro del processo di nitrazione un gas di processo contenente alluminio in concentrazioni fino a quelle stechiometricamente massime con riferimento alla formazione di A1N.
Un esempio è quello dell'esempio di Altrimetile. E.' parimenti possibile l'impiego di cloruro di alluminio, che può essere ottenuto nella fase gassosa mediante sublimazione della sostanza solida. In entrambi i casi la probabilità di reazione può essere aumentata mediante l'aggiunta di idrogeno. Le reazioni corrispondenti possono essere formulate come segue:
Al (CH3) 3 + 1⁄2 N2+3/2 H2 = AlN (gas ) CH4 (5) xAIN ( gas ) (À1N) X (strato ) ( 6) nonché
AlCla (gas) 1/2 N2+3/2 H2 = (A1N) gas+3HCl xAlN(gas) = (A1N)X (strato)
Claims (8)
- RIVENDICAZIONI 1. Procedimento per il rivestimento con nitruro di alluminio della superficie di scorrimento del cilindro (ZL) di un basamento (KG) fatto di una lega a base di Al, caratterizzato dal fatto che il rivestimento con nitruro di alluminio avviene mediante nitrazione superficiale della lega a base di Al, e l'azoto attivato necessario per questo viene prodotto mediante un processo a plasma ad alta pressione a partire da azoto molecolare.
- 2. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che sullo strato di AlN superficiale viene depositato uno strato supplementare di AlN mediante un processo a plasma ad alta pressione reattivo impiegando azoto e composti gassosi di Al nonché eventualmente idrogeno.
- 3. Procedimento secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il composto di Al in forma gassosa è cloruro di alluminio o alluminiotrimetile.
- 4. Procedimento secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che prima della nitrazione superficiale lo strato di ossido naturale della lega a base di Al viene allontanato mediante un processo riduttivo a gas e corpo solido con partecipazione di idrogeno atomico, dove l'idrogeno atomico viene prodotto mediante un processo a plasma ad alta pressione a partire da idrogeno molecolare oppure composti gassosi dell'idrogeno.
- 5. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il plasma ad alta pressione viene prodotto mediante scarica con effetto da corona o scarico con effetto da barriera, statico o ad impulsi.
- 6. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il plasma ad alta pressione viene prodotto mediante accoppiamento di microonde a mezzo di una antenna (AT).
- 7. Procedimento secondo una delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che al campo di microonde viene sovrapposto un campo elettrico statico o alternato nella direzione radiale perpendicolarmente all'asse dell'antenna.
- 8. Basamento fatto di una lega a base di Al, caratterizzato dal fatto che la superficie di scorrimento dei suoi cilindri presenta un rivestimento di nitruro di alluminio.
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