PT1774053E - Processo para a produção de um revestimento sobre um segmento de êmbolo, bem como segmento de êmbolo - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE ΌΜ REVESTIMENTO SOBRE ΌΜ SEGMENTO DE ÊMBOLO, BEM COMO SEGMENTO DE ÊMBOLO" A presente invenção refere-se a um processo para a produção de um revestimento sobre a superfície periférica exterior de um corpo base de um segmento de êmbolo.

Através do documento DE-C 4112422 tornou-se conhecido um revestimento resistente à abrasão que contém crómio e pelo menos um nitreto de crómio e que está formado sobre um material de suporte. A concentração de azoto do revestimento aumenta continuamente a partir da superfície limite entre o material de suporte e o revestimento, na direcção da superfície exterior do revestimento. 0 revestimento tem uma zona adjacente à superfície exterior que contém no essencial uma mistura de Cr2N e CrN. 0 revestimento pode alternativamente conter crómio. 0 revestimento resistente à abrasão pode por exemplo ser aplicado sobre componentes sujeitos a atrito de deslizamento, como um segmento de êmbolo ou semelhantes.

No documento US-A 5851659 disserta-se sobre um corpo deslizante e um processo para a produção de um corpo deslizante deste género, sendo que o corpo deslizante está provido de uma camada à base de Cr2N que apresenta uma porosidade entre 1,5 e 20%. Os cristais dos nitretos de crómio estão neste caso alinhados paralelemente em relação à superfície do revestimento, sendo que os nitretos de crómio do revestimento podem conter 1

CrN, Cr2N ou uma mistura das duas fases.

No documento DE-Gbm 29690666 disserta-se sobre um componente na zona de câmaras de combustão, com um revestimento depositado por um processo de vácuo sobre pelo menos uma das suas superfícies e que é constituído por uma camada de carbono amorfo sem metais, cujo perfil de dureza se encontra graduado ao longo da espessura da camada. O revestimento deve neste caso ser aplicado por um processo de CVD, sendo que a graduação pode ser regulada através de parâmetros de processo.

Os segmentos de êmbolo, em particular os que podem ser inseridos na primeira ranhura de um êmbolo, são providos, entre outros, de camadas de protecção contra desgaste, como podem ser depreendidas do estado da técnica anteriormente descrito, de modo a poderem cumprir a vida útil exigida. As pressões mais elevadas dos cilindros, a injecção directa, a recirculação dos gases de escape e outras características construtivas de desenvolvimentos mais recentes de motores, mas também a minimização do consumo de óleo, exercem de tal modo esforços sobre os segmentos de êmbolo que as espectativas exigidas em relação à vida útil, não podem ser mais garantidas com os revestimentos convencionais de segmentos de êmbolo.

Através do estado da técnica tornaram-se conhecidos revestimentos de segmentos de êmbolo à base de nitreto de crómio de acordo com a tecnologia de camada fina, parcialmente com adições de oxigénio e/ou carbono. As camadas deste género dispõem de boas propriedades de resistência e contra resíduos de queima. De modo a se alcançarem os requisitos em relação à vida útil, em particular de motores a gasóleo altamente esforçados, com os presentes valores de desgaste, têm que ser produzidas 2 grandes espessuras de camada que são atípicas para a tecnologia de camada fina. Estas são limitadas pelas tensões na camada, que aumentam com a espessura de camada, facto pelo qual pode ocorrer a formação de fissuras no revestimento e/ou descolagens. Em particular no caso do revestimento apresentado no documento DE-C 4112422 não pode ser assegurada uma continuidade do comportamento de desgaste observado ao longo do tempo. A partir do documento JP 08021302 A ou do documento JP 07167300 A são conhecidas camadas de PVD com camadas graduadas. O teor de azoto no revestimento é alterado progressivamente, de modo que a composição da camada se altera. Não se encontram reveladas medidas que apontam para impedir uma descolagem das camadas, no caso de camadas particularmente espessas. A invenção tem como objectivo subjacente o de colocar à disposição um processo para a produção de um revestimento sobre a superfície periférica exterior de um corpo base de um segmento de êmbolo, através do qual podem ser produzidos revestimentos de segmentos de êmbolo que, apesar dos esforços do motor indicados, cumprem a sua função de uma forma satisfatória durante toda a vida útil do motor. Para além disso, com utilização da tecnologia de camada fina, deve ser produzida uma camada que não apresenta as desvantagens abordadas e que possibilita a deposição de espessuras de camada que assegura, para motores altamente esforçados, um comportamento funcional suficiente, observado ao longo de toda a vida útil do motor.

De acordo com a invenção, este objectivo é solucionado através das reivindicações 1 e 6. 3

Os aperfeiçoamentos vantajosos do objecto da invenção podem ser depreendidos das reivindicações dependentes que dizem respeito ao processo.

Os aperfeiçoamentos vantajosos do segmento de êmbolo de acordo com a invenção podem ser depreendidos das correspondentes reivindicações dependentes que dizem respeito ao objecto.

Propõe-se por conseguinte uma camada aplicada pelo processo de PVD, à base de CrN, com uma estrutura de camada parcialmente graduada. Entre a multiplicidade de sistemas de camadas de material duro que podem ser depositados pelo processo de PVD, o sistema de Cr-N caracteriza-se por tensões intrínsecas relativamente reduzidas. Enquanto que as outras camadas podem apenas ser produzidas com uma espessura de camada de poucos pm, antes de as tensões intrínsecas que se originam provocarem danos na camada, as camadas de CrN podem ser aplicadas com espessuras de camada significativamente maiores. No caso das espessuras de camada de 30 até 50 pm, actualmente necessárias para a vida útil, em particular, de motores a gasóleo, as tensões intrínsecas que se originam podem no entanto provocar descolagens da camada ou a formação de fissuras no material base do segmento de êmbolo, no caso de revestimentos convencionais.

De acordo com a invenção, as tensões intrínsecas no sistema de Cr-N são reduzidas no caso de espessuras de camada mais elevadas, pelo facto de o teor de azoto no interior da camada de gradiente é aumentado segundo uma função de rampa. A camada de acordo com a invenção é estruturada, partindo do material base do segmento de êmbolo, como o que se segue 4

material base - camada adesiva de Cr - camada de gradiente de CrN - camada de cobertura de CrN

No sistema de camadas de CrN existem, para além do Cr metálico, dois nitretos com Cr2N (33% de átomos de N) e CrN (50% de átomos de N) . Conforme a regulação da pressão parcial de azoto no processo de PVD, formam-se duas fases diferentes ou as suas misturas de fases.

No processo de revestimento deposita-se, em primeiro lugar, sem adição de azoto ao gás de processo, uma camada de Cr metálica com uma espessura de camada < 1 pm. Em seguida adiciona-se azoto ao gás de processo, sendo que a pressão parcial de azoto é aumentada continuamente. A composição da camada no interior da camada de gradiente é neste caso variada desde Cr, passando por misturas de Cr - Cr2N, Cr2N, misturas de Cr2N - CrN até ao CrN. A seguir deposita-se uma camada de cobertura com uma composição constante. Neste caso pode tratar-se de CrN, Cr2N ou de uma mistura das duas fases.

De um modo surpreendente demonstrou-se que uma espessura da camada de gradiente de 3 até 5 pm é suficiente no caso de espessuras de camada totais entre 30 e 50 pm, para reduzir as tensões intrínsecas de tal modo que nunca mais se originam descolagens da camada ou formação de fissuras. O objecto da invenção encontra-se representado no desenho com base num exemplo de realização e é descrito como o que se segue. Mostram

Figura 1 um corte transversal através de um corpo base de um segmento de êmbolo com um revestimento da superfície 5 de deslizamento aplicado sobre o mesmo

Figura 2 um perfil de concentração de Cr-N do revestimento da superfície de deslizamento representado na figura 1. A figura 1 mostra o corte transversal de um segmento 1 de êmbolo, contendo um corpo 2 base que está provido de uma superfície 3 periférica exterior que constitui uma superfície de deslizamento. Neste exemplo, três camadas 4, 5, 6 foram aplicadas de acordo com o processo de PVD sobre a superfície 3 periférica exterior. Neste exemplo, a camada 4 deve ser constituída por uma camada adesiva à base de Cr e apresentar uma espessura de camada de 0,5 pm.

Uma camada 5 de gradiente de CrN com uma espessura de camada de 3 pm foi aplicada, igualmente pelo processo de PVD, sobre a camada 4 adesiva. A composição da camada no interior da camada 5 de gradiente de CrN foi variada, através da adição de azoto ao gás de processo, de tal modo que foi possível regular as deposições desde Cr, passando por misturas de Cr - Cr2N, Cr2N, misturas de Cr2N - CrN até ao CrN.

Uma camada 6 de cobertura com uma composição constante e com uma espessura de camada de 30 pm foi aplicada, igualmente pelo processo de PVD, sobre a camada 5 de gradiente de CrN, sendo que se trata neste caso de CrN. Cr2N ou então uma mistura das duas fases é igualmente concebível.

Num ensaio, uma camada de CrN com uma espessura de camada total de 30 pm foi depositada sobre um segmento 1 de êmbolo. Num caso aplicou-se em primeiro lugar uma camada adesiva de Cr de 0,5 pm, no outro caso foi igualmente aplicada uma camada adesiva 6 de Cr com espessura idêntica e adicionalmente uma camada de gradiente com uma espessura de 3 pm. A variante com camada de gradiente apresentou tensões intrínsecas de pressão que eram apenas metade das da camada sem camada de gradiente. A figura 2 mostra o perfil de concentração do revestimento descrito na figura 1. Podem ser reconhecidos os teores de Cr e de N em % de átomos, bem como as espessuras de camada em pm. No processo de revestimento deposita-se, em primeiro lugar, sem adição de azoto ao gás de processo, uma camada de Cr metálica (camada 4 adesiva). De acordo com a invenção, as tensões intrínsecas no sistema de Cr-N são reduzidas no caso de espessuras de camada mais elevadas, pelo facto de o teor de azoto da camada 5 de gradiente de CrN ter aumentado segundo uma função de rampa, de tal modo que o azoto é adicionado ao gás de processo, sendo que a pressão parcial de azoto é aumentada continuamente neste exemplo. A composição da camada na camada 5 de gradiente de CrN é neste caso variada desde Cr, passando por misturas de Cr - Cr2N, Cr2N, misturas de Cr2N - CrN até ao CrN. A seguir é depositada uma camada 6 de cobertura com uma composição constante, sendo que se trata aqui de CrN.

Lisboa, 29 de Maio de 2012 7

Claims (8)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Processo para a produção de um revestimento sobre a superfície (3) periférica exterior de um corpo (2) base de um segmento de êmbolo que constitui uma superfície de deslizamento, na medida em que várias camadas (4, 5, 6) são aplicadas por camadas sobre a superfície (3) periférica, de tal modo que pelo processo de PVD é aplicada, em primeiro lugar, sem adição de azoto ao gás de processo, pelo menos uma camada (4) adesiva metálica à base de Cr sobre a superfície (3) periférica, que em seguida é adicionado azoto ao gás de processo, aumentando a pressão parcial de azoto para a formação de uma camada de gradiente de CrN sobre a camada (4) adesiva, e que finalmente pelo menos uma camada (6) de cobertura com uma composição constante à base de CrN, Cr2N ou de uma mistura das duas fases é aplicada sobre a camada (5) de gradiente de CrN, caracterizado por o aumento da pressão parcial de azoto ser efectuado continuamente até que seja produzida a camada (5) de gradiente de CrN com uma espessura de camada entre 1 e 8 pm e depois ser produzida a camada de cobertura com uma espessura de camada entre 10 e 80 pm.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o aumento da pressão parcial de azoto ser realizado de acordo com uma função de rampa.
3. 3. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 e 2, caracterizado por a composição da camada no interior da camada (5) de gradiente de CrN ser variada desde Cr, passando por misturas de Cr - Cr2N, Cr2N, misturas de 1 Cr2N - CrN até ao CrN.
4. 4. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 3, caracterizado por a camada (4) adesiva ser produzida com uma espessura de camada entre 0,1 e 1 pm.
5. 5. Processo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 5, caracterizado por serem produzidas uma camada (5) de gradiente de CrN com uma espessura de camada entre 2 e 6 pm e uma camada (4) adesiva com uma espessura de camada <0,6 pm, no caso de uma espessura de camada total entre 30 e 50 pm.
6. 6. Segmento de êmbolo, constituído por um corpo (2) base sobre cuja superfície (3) periférica exterior que constitui uma superfície de deslizamento se encontram aplicadas várias camadas (4, 5, 6) por camadas umas por cima das outras, sendo que a camada (4) adesiva virada para a superfície (3) periférica exterior é uma camada adesiva de PVD à base de Cr, uma camada (5) de gradiente de CrN com uma composição da camada desde Cr, passando por misturas de Cr - Cr2N, Cr2N, misturas de Cr2N - CrN até ao CrN, se encontra aplicada sobre a camada (4) adesiva, e pelo menos uma camada (6) de cobertura com uma composição constante à base de CrN, Cr2N ou de uma mistura das duas fases se encontra aplicada sobre a camada (5) de gradiente de CrN, caracterizado por a camada (5) de gradiente de CrN apresentar uma espessura de camada entre 1 e 8 pm e a camada (6) de cobertura apresentar uma espessura de camada entre 10 e 80 pm. 2
7. 7. Segmento de êmbolo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por a camada (4) adesiva apresentar uma espessura de camada entre 0, 1 e 1 pm.
8. 8. Segmento de êmbolo de acordo com qualquer uma das reivindicações 6 ou 7, caracterizado por a camada (4) adesiva apresentar uma espessura de camada < 0,6 pm e a camada (5) de gradiente de CrN apresentar uma espessura de camada entre 2 e 6 pm, no caso de uma espessura de camada total entre 30 e 50 pm. Lisboa, 29 de Maio de 2012 3