PT2089643E

PT2089643E - Anel de pistão para motores de combustão interna

Info

Publication number: PT2089643E
Application number: PT78207420T
Authority: PT
Inventors: Manfred Fischer; Ralf Lammers; Christiane Bauer; Steffen Hoppe
Original assignee: Federal Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2006-10-04
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2015-03-02
Also published as: US9598763B2; DE102006046917C5; WO2008040694A2; DE102006046917B3; BRPI0717501A2; BRPI0717501B1; US20100044968A1; EP2089643B1; JP5372760B2; EP2089643A2; WO2008040694A3; JP2010506082A

Description

DESCRIÇÃO

ANEL DE PISTÃO PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA A invenção refere-se a um anel de pistão de um material de suporte, em particular de aço ou de material fundido, com uma camada protetora resistente ao desgaste de um sistema periodicamente estruturado de múltiplas camadas, em que cada periodicidade consiste em pelo menos duas camadas individuais de nitretos de metal.

As superfícies móveis dos anéis de pistão em motores de combustão interna estão sujeitas a um desgaste durante a sua utilização. Para minimizar o desgaste, as superfícies móveis de anéis de pistão são fornecidas com uma camada protetora. A partir da JP 2005-082822 AA e da JP 2005-187859 AA é conhecido um material de suporte com um sistema de revestimento de camadas múltiplas. Referências a diferentes elementos metálicos em camadas individuais de nitretos de metal não são encontrados nas duas publicações anteriores. A DE 44 41 136 AI divulga um anel de pressão para um pistão de um arranjo de pistão-cilindro de um motor de combustão interna com pistão. O revestimento resistente à abrasão é composto por um nitreto, tal como CrN, Cr2N, TiN, Ti/TiN ou ZrN. O revestimento é constituído apenas por uma única camada. Referências a um sistema de revestimento de múltiplas camadas não são de inferir na DE 44 41 136 AI. A JP 2002-256967 AA revela um elemento deslizante com uma camada de revestimento resistente à abrasão. Como exemplo é mencionado um anel de pistão com uma camada de revestimento à base de nitretos do metal. Também nesta divulgação não é feita qualquer referência a sistemas de revestimento de múltiplas camadas. A partir da DE 100 61 749 AI é conhecido um revestimento resistente ao desgaste para anéis de pistão para motores de combustão interna, o qual consta essencialmente de carboneto de crómio, crómio, níquel e molibdénio. Um pó destes componentes é aplicado aos anéis do pistão por meio de pulverização de chama de alta velocidade. Embora tais camadas protetoras em termos de desgaste apresentassem bons resultados quanto a resistência a fissuras, particularmente sob cargas elevadas, tal como ocorre nos novos motores diesel, não é satisfatória.

Na área das ferramentas de elevada tensão, tais como ferramentas de corte, é desde há muito conhecido, o fornecimento de sistemas de revestimento de múltiplas camadas como camada protetora. Da DE 35 12 986 C2 é conhecido um revestimento resistente ao desgaste, cuja espessura de camadas individuais anda na gama de 0,5 a 40 nm. Quando uma camada de revestimento TiN é utilizada, esta é combinada com uma camada única de um carboneto ou um boreto.

Esta tecnologia de revestimento de múltiplas camadas tem encontrado utilização no fabrico de anéis de pistão. A partir da JP 2005-060810 A são conhecidos anéis de pistão para motores de combustão interna, que são fornecidos com um sistema de revestimento de múltiplas camadas, cujas camadas individuais têm o mesmo componente metálico e diferem apenas no teor de azoto. As espessuras das camadas individuais são especificadas com <.l mm. As camadas são aplicadas por meio de um método de PVD, em particular por um método de arco elétrico. A DE 10 2004 028 486 AI descreve um tal elemento deslizante como anéis de pistão para motores de combustão interna, que possui um revestimento de várias camadas individuais constituídas alternadamente por nitreto de crómio e por crómio. As camadas de nitreto de crómio podem ser formadas por CrN, C 2N ou pelas suas misturas. Para evitar transições bruscas o método de revestimento é controlado de modo que as camadas individuais de nitretos de crómio tenham em ambos os lados uma bainha de Cr2N e um núcleo de CrN. Cada camada individual tem pelo menos 0,01 mm de espessura. A espessura máxima é de 10 mm. A espessura total do revestimento é de 5 a 100 mm.

Estes sistemas de revestimento de múltiplas camadas conhecidos têm contudo a desvantagem, de a resistência às fissuras não ser satisfatória. A partir da publicação Correlation between constitution, properties and machining performance of TiN/ZrN multilayers", de S. Ulrich et al. são conhecidos sistemas de revestimento de múltiplas camadas de nitreto de titânio e nitreto de zircónio, que têm uma morfologia colunar, para formar cavidades para gerar meios de arrefecimento. Este sistema de camadas é usado para ferramentas de corte. O objetivo da invenção consiste portanto em proporcionar um anel de pistão fornecido com um sistema de múltiplas camadas, que com boa resistência ao desgaste seja pouco vulnerável a fissuras.

Este objetivo é alcançado com um anel de pistão, em que as camadas individuais adjacentes têm diferentes elementos metálicos individuais dentro de uma periodicidade e a espessura de uma camada individual é >15 nm.

Verificou-se que um sistema de revestimento de múltiplas camadas de nitreto de metal por um lado apresenta boa resistência ao desgaste e por outro lado por meio da utilização de diferentes metais para as camadas individuais adjacentes dentro da periodicidade possui uma baixa vulnerabilidade a fissuras. Por meio da utilização de diferentes metais para os nitretos de metal das camadas individuais a dureza e as propriedades de elasticidade das camadas individuais umas sobre as outras podem ser de tal modo ajustadas que ocorrem limites de fases distintos. Quando - como descrito no estado da técnica - apenas um metal for utilizado e apenas variar o teor de azoto, não há a ocorrência de limites de fase claramente formados, que possam exercer uma influência positiva sobre a formação de fissuras.

Ficou demonstrado, que as fissuras, caso venham a ocorrer, se prolongam apenas até ao limite de fase adjacente. Tais fissuras podem de todo o modo concorrer para a substituição de partes das camadas individuais. A substituição de todo o sistema de revestimento de múltiplas camadas devido à formação de fissuras não é observada. A duração de vida de anéis de pistão tendo um tal sistema de revestimento de múltiplas camadas é significativamente maior do que os anéis de pistão convencionais com uma única camada ou com sistema de revestimento de camadas múltiplas, que constam igualmente de camadas de nitreto, mas que diferem apenas no teor de azoto com o mesmo componente metálico.

De preferência as camadas individuais de nitretos apresentam pelo menos um metal a partir do grupo de titânio (Ti), zircónio (Zr), háfnio (Hf), vanádio (V), nióbio (Nb), tântalo (Ta), cromo (Cr), molibdénio (Mo) e tungsténio (W).

Basicamente todas as combinações de nitretos dos referidos metais são possíveis. Poderá tratar-se de fases estequiométricas ou não estequiométricas ou das suas misturas. Por exemplo por CrN entende-se uma ou mais fases do sistema de Cr-N sendo analogamente válido para os outros sistemas. Dependendo do método do revestimento, pode ser preferível eventualmente usar uma combinação ou outra.

Particularmente preferida é a utilização de CrN em pelo menos uma camada individual da periodicidade. CrN pode ser combinado num sistema de múltiplas camadas com os nitretos de todos os outros metais do referido grupo.

As combinações preferidas de camadas individuais são CrN/TiN, CrN/ZrN ou CrN/VN. A periodicidade pode também apresentar mais do que duas camadas individuais, de preferência ter uma a quatro camadas individuais. Duas camadas individuais são particularmente preferíveis, porque os custos de produção aumentam significativamente tendo em conta o número de camadas por periodicidade.

De preferência, pelo menos uma camada individual de periodicidade contém> 0 a 15 em peso %, em particular de 3 a 8 em peso %, de pelo menos um dos elementos de dopagem de alumínio, de silício ou carbono. 0 efeito destes elementos dopantes é que os revestimentos de camadas resistentes ao desgaste apresentam maior resistência à oxidação e abrasão reduzida.

De preferência os elementos de dopagem das camadas individuais adjacentes são diferentes. As diferenças nas propriedades das camadas individuais adjacentes por adição dos elementos de dopagem tornam-se ainda mais elevadas com o resultado que as diferenças nas propriedades do material das camadas individuais adjacentes se manifestam mais claramente nos limites de fase, o que é particularmente benéfico para a prevenção da propagação de fissuras de efeito perpendicular às camadas individuais. É igualmente possível que pelo menos uma das camadas individuais dos nitretos de periodicidade contenha pelo menos dois metais do grupo Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo e W, em que as camadas individuais adjacentes (20, 21) diferem em pelo menos um elemento metálico.

As combinações de metal preferidas de nitretos para pelo menos uma camada individual de periodicidade são TiZrN, TiAlN, CrSiN, CrZrN, CrTiN ou CRVN. As combinações de metal mencionadas podem igualmente apresentar elementos de dopagem. As vantagens destas combinações de metal para as camadas individuais são que as respetivas propriedades do material podem ser variadas e ajustadas.

De acordo com uma periodicidade ou mais periodicidades pode ser fornecida pelo menos uma camada intermédia de pelo menos um dos metais Ti, Zr, Hf, V, Nb,

Ta, Cr, Mo, W. As vantagens destas camadas intermédias são, que as mesmas apresentam propriedades de metais dúteis, desviando ou parando a formação de fissuras e aumentam a dutilidade da união do conjunto das múltiplas camadas, de modo a reduzir as tensões do conjunto. Tal é particularmente importante para a deposição de revestimentos resistentes ao desgaste, fornecidos com uma espessura de camada mais elevada de modo a aumentar a sua vida útil.

De preferência é fornecida pelo menos uma camada adesiva entre o material de suporte e a primeira camada individual, que pode constar de pelo menos um dos metais Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo e W.

Uma vantagem é que a nitração de outro modo comum da superfície do material de suporte, em particular do aço, pode ser omitida, facto que permite poupar passos de trabalho.

Esta economia é reforçada quando o material da camada adesiva é idêntico ao material da camada intermédia ou quando o metal é idêntico ao da camada individual. 0 processo de deposição tem de ser modificado apenas no que toca à composição dos gases do processo.

Os materiais de camadas de revestimento preferidos são o crómio e titânio em particular materiais de suporte em aço, uma vez que apresentam uma particularmente boa adesão aos materiais de aço. A espessura de uma periodicidade possui entre 30 nm a lmm, de preferência entre 30 nm e 500 nm, com especial preferência entre 30 a 120 nm e mais preferivelmente de 60 nm a 120 nm De preferência o limite inferior da periodicidade das referidas gamas de valores é de> 30 nm.

Demonstrou-se que a resistência ao desgaste de cada combinação de material das camadas individuais apresenta um valor óptimo para a periodicidade. A espessura de uma camada individual é de preferência de 15 nm a 150 nm. A espessura do sistema de revestimento de múltiplas camadas é de preferência de 10 mm a 50 mm, particularmente de 10 mm a 30 mm. Estas espessuras são inferiores às espessuras necessárias para as camadas de acordo com o estado da técnica, p. ex. por meio de uma camada individual de nitreto de crómio, a fim de assegurar o mesmo tempo de vida. Devido à redução da espessura do material de revestimento resistente ao desgaste material e tempo são poupados na preparação do revestimento.

De preferência o sistema de revestimento de múltiplas camadas é aplicado por meio de um processo PVD.

Por meio do método PVD os nitretos metálicos TiN, ZrN, VN, CrN e MoN dexam-se aplicar de forma vantajosa.

Como método preferido é fornecido o método de arco elétrico para a aplicação do sistema de revestimento de múltiplas camadas. O sistema de revestimento de múltiplas camadas também pode ser aplicado por meio de um método CVD. O uso especifico de tais anéis de pistão de acordo com a invenção destina-se a motores a diesel e a gasolina. A camada de revestimento resistente ao desgaste é particularmente adequada para os anéis de compressão e anéis de óleo.

Formas de realização exemplares da invenção serão explicadas com referência aos desenhos.

Estes ilustram: A Figura 1 mostra um anel de pistão, numa representação em perspetiva,

A Figura 2 mostra um corte ao longo da linha II-II através do referido anel de pistão mostrado na Figura 1, A Figura 3 mostra uma vista ampliada do detalhe X da

Figura 2, A Figura 4 mostra uma vista ampliada do detalhe Y da Figura 3, A Figura 5a mostra uma gravação de microscopia eletrónica do varrimento de um sistema de revestimento de múltiplas camadas compreendendo camadas individuais de CrN/ZrN, A Figura5b mostra uma gravação de microscopia eletrónica do varrimento de um sistema de revestimento de múltiplas camadas compreendendo camadas individuais de CrN/TiN, A Figura 6 é uma representação esquemática de um sistema de revestimento de múltiplas camadas de acordo com uma outra forma de realização.

Na Figura 1 é mostrado um anel de pistão 1 em perspetiva. As superfícies de contornos externos formando as superfícies móveis 2.

Na Figura 2 é mostrado um corte ao longo da linha II-II através do referido anel de pistão ilustrado na Figura 1, As superfícies móveis 2 tem uma forma ligeiramente circunferencial. A camada de revestimento resistente ao desgaste 4 situada sobre o material de suporte 3 confere-lhe essa forma circunferencial.

Na Figura 3 é mostrada uma vista ampliada do detalhe X da Figura 2. No material de suporte 3 está situado o sistema de revestimento de múltiplas camadas 10, formado por uma variedade de periodicidades 11. Cada periodicidade 11 compreende duas camadas individuais 20, 21, em que por razões de clareza apenas uma periodicidade 11 é ilustrada.

Na Figura 4 é mostrada uma vista ampliada do detalhe Y da Figura 3. Inevitavelmente devido a asperezas da superfície superior do material de suporte 3 é formada uma forma de onda mais ou menos pronunciada para as camadas individuais, em que esta é alisada por meio de trabalho de acabamento mecânico da superfície superior. A Figura 4 representa uma vista em corte da superfície superior 21 apresentando uma fissura 5 que se estende a partir da superfície superior para o interior. Esta fissura 5 termina no primeiro limite de fase 30. Um avanço da fissura 5 para o interior do sistema de revestimento de múltiplas camadas é impedido por este limite de fase 30. A mais clara diferença nas propriedades do material entre as camadas individuais 20 e 21, é a de desviar as fissuras.

Quando se formam mais fissuras na camada individual 21 dentro da área em forma de ilha 40, pode acontecer que esta área se desfolhe 40. Não ocorre no entanto mais descamação da camada individual subjacente 20. O tempo de vida deste revestimento e com isso do anel de pistão 1 é aumentada de forma significativa devido ao sistema de revestimento de múltiplas camadas 10, uma vez que as fissuras podem alongar-se apenas até ao limite de fase adjacente.

Na Figura 5a está ilustrada uma gravação de microscopia eletrónica de varrimento, na qual existem camadas individuais de CrN e ZrN.

Na Figura 5b está ilustrada uma gravação de microscopia eletrónica de varrimento, na qual existem camadas individuais de CrN e TiN.

Na Tabela 1 seguinte os metais preferidos dos nitretos metálicos são representados numa matriz. Todas as combinações de nitretos metálicos para camadas individuais adjacentes são fornecidos com gravação de identidade de acordo com a invenção. As combinações de nitretos de metal particularmente preferidas são representadas por X.

0 número 7 do sistema, representa sempre uma camada CrN como camada individual dentro da periodicidade e é referido como tendo uma estabilidade particularmente boa de sistema de revestimento de múltiplas camadas. Os números de sistemas 1,2 e 4 referem combinações de nitretos metálicos que pode ser aplicados pelo método de arco elétrico de forma particularmente favorável.

Exemplo:

Aos anéis de pistão é aplicado um revestimento de múltiplas camadas para a proteção contra o desgaste por meio de um método de arco elétrico (com uma camada de revestimento adesiva de cromo). Trata-se aqui de anéis de pistão nitretados feitos de uma liga com elevado teor de aço. Os revestimentos de camadas resistentes ao desgaste compostos por camadas individuais CrN e ZrN, foram depositados periodicamente. A espessura total das camadas de revestimento vai de 12mm a 12,8 mm. Três periodicidades diferentes foram realizadas.

Na Tabela 2, são listadas as espessuras totais de todas as camadas de revestimento, periodicidades e durezas de camada. Para testar a resistência ao desgaste foram realizados com estes anéis de pistão, modelos reivindicados realizados com lubrificantes de deslizamento alternado. 0 corpo em posição oposta consiste respetivamente de um segmento de construção cilíndrica de material fundido (GOE 300, material da requerente), tal como um lubrificante, tratando-se para poupança de tempo de um éster sintético usado sem aditivos.

Por escolha apropriada da periodicidade dos revestimentos de múltiplas camadas é possível tanto para o desgaste da camada de revestimento como para o corpo em posição oposta melhorar o coeficiente de atrito.

Na Figura 6 é mostrado esquematicamente um sistema de revestimento de múltiplas camadas 10 de acordo com uma outra forma de realização Entre as periodicidadesll é fornecida respetivamente uma camada intermédia 25. Além disso é fornecida entre a primeira camada individual e o material de suporte uma camada adesiva 26. É igualmente possível fornecer apenas uma camada adesiva ou camadas intermédias.

Lista de referência numérica 1 Anel de pistão 2 Superfícies móveis 3 Material de suporte 4 Camada de revestimento resistente ao desgaste 5 Fissura 10 Sistema de múltiplas camadas 11 Periodicidade 20 Camada de revestimento individual 21 Camada de revestimento individual 25 Camada intermédia 26 Camada de revestimento adesivo 30 Limite de fases 40 Área em forma de ilha

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor do presente pedido de patente foi elaborada apenas para informação do leitor. Não é parte integrante do documento de patente europeia. Não obstante o cuidado na sua elaboração, o IEP não assume qualquer responsabilidade por eventuais erros ou omissões.

Documentos de patente referidos na descrição • JP 2005082822A A [0003] • JP 2005187859A A [0003] • DE 4441136 Ai [0004] • JP 2002256967A A [0005] • DE 10061749 Ai [0006] • DE 3512986 C2 [0007] • JP 2005060810 A [0008] • DE 102004028486 AI [0009]

Lisboa, 23 de Fevereiro de 2015

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Anel de pistão (1) constituído por um material de suporte (3) , em particular de aço ou material fundido, e com um revestimento resistente ao desgaste (4) sendo constituído por um sistema periodicamente estruturado de múltiplas camadas (10), em que cada periodicidade (11) é constituída por pelo menos duas camadas individuais (20, 21) de nitretos de metal, caraterizado pelo facto de as camadas individuais adjacentes (20, 21) dentro de uma periodicidade (11) apresentarem diferentes elementos metálicos e a espessura de uma camada individual (20, 21) ser de> 15 nm.
2. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, caraterizado pelo facto de as camadas individuais (20, 21) compreenderem nitretos de pelo menos um metal do grupo Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo e W.
3. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caraterizado pelo facto de pelo menos uma única camada (20, 21) da periodicidade (11) ser constituída por CrN.
4. Anel de pistão de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caraterizado pelo facto de cada periodicidade (11) ser constituída por duas camadas individuais (20, 21) de CrN e TiN (CrN/TiN), CrN e ZrN (CrN/ZrN) ou CrN e VN (CrN/VN).
5. Anel de pistão de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caraterizado pelo facto de pelo menos uma das camadas individuais (20, 21) da periodicidade apresentar> 0 a 15 % em peso de pelo menos um dos elementos de dopagem de alumínio, silício ou carbono.
6. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 5, caraterizado pelo facto de os elementos de dopagem das camadas individuais adjacentes (20, 21) serem diferentes.
7. Anel de pistão de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, caraterizado pelo facto de pelo menos uma das camadas individuais (20, 21) dos nitretos de periodicidade conter pelo menos dois metais do grupo Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo e W, em que as camadas individuais adjacentes (20, 21) diferem em pelo menos um elemento metálico.
8. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 7, caraterizado pelo facto de pelo menos uma única camada (20, 21) de periodicidade ser composta por TiZrN, TiAlN, CrSiN, CrZrN, CrTiN ou CRVN.
9. Anel de pistão de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caraterizado pelo facto de após uma ou mais periodicidades (11) ser fornecida pelo menos uma camada intermédia (25) de pelo menos um dos metais Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo e W.
10. Anel de pistão de acordo com uma das reivindicações 1 a 9, caraterizado pelo facto de entre o material de suporte (3) e a camada de proteção ao desgaste (4) ser fornecida pelo menos uma camada adesiva (26).
11. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 10, caraterizado pelo facto de a camada adesiva (26) ser composta por pelo menos um dos metais Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo e W.
12. Anel de pistão de acordo com uma das reivindicações 1 a 11, caraterizado pelo facto de a espessura de uma periodicidade (11) possuir entre 30 nm a 1 mm, de preferência entre 30 nm e 500 nm, com especial preferência para entre 30 a 120 nm e com maior preferência de 60 nm a 12 0 nm
13. Anel de pistão de acordo com uma das reivindicações 1 a 12, caraterizado pelo facto de a espessura de uma camada individual ter de preferência entre 15 nm a 150 nm.
14. Anel de pistão de acordo com uma das reivindicações 1 a 13, caraterizado pelo facto de a espessura do sistema de revestimento de múltiplas camadas ter de preferência entre 15 nm e 150 nm.
15. Utilização de um anel de pistão de acordo com a reivindicação 1, em motores diesel ou motores a gasolina. Lisboa, 23 de Fevereiro de 2015