PT2432915E

PT2432915E - Elemento deslizante

Info

Publication number: PT2432915E
Application number: PT107214793T
Authority: PT
Inventors: Steffen Hoppe; Manfred Fischer; Marcus Kennedy
Original assignee: Federal Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2013-07-09
Also published as: RU2518823C2; RU2011151633A; JP2012527581A; EP2432915A1; WO2010133633A1; US9169547B2; BRPI1010899A2; EP2432913A1; RU2519181C2; JP5685583B2; DE102009003232A1; PT2432913E; JP2012527583A; US20120068418A1; KR20120014590A; WO2010133384A1; RU2011151547A; CN102428208A; BRPI1013038A2; CN102428206B

Description

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DESCRIÇÃO "ELEMENTO DESLIZANTE"

Campo Técnico da Invenção A invenção refere-se a um elemento deslizante em um motor de combustão interna, em especial um anel de pistão. 0 consumo de combustível tem um papel importante na redução das emissões de dióxido de carbono de motores de combustão interna. Este é grandemente afetado pelas perdas por fricção no motor, em especial na região dos pistões, por exemplo nos anéis de pistão. Existe, por conseguinte, a necessidade de elementos deslizantes em motores de combustão interna, em especial anéis de pistão, que, ao longo de todo o tempo de vida, apresentam um comportamento de fricção tão favorável quanto possível. No que diz respeito ao tempo de vida total, é necessário ter especialmente em consideração o comportamento de rodagem, uma possível falta de lubrificação e uma eventual formação de altas temperaturas, em que cada conduz a características tribológicas modificadas.

Estado da Técnica

Na área supramencionada, revestimentos de PVD em base de material duro, que apresentam uma boa resistência ao desgaste, são conhecidos, mas que, contudo, poderiam ser otimizados, em relação aos coeficientes de fricção.

Da DE 10 2005 063 123 B3 é divulgada uma estrutura de camada, que, quando observada do exterior para o interior, apresenta uma camada de rodagem, uma camada adesiva e uma camada de proteção contra o desgaste. No entanto, o 2 comportamento das características de fricção ao longo do tempo de vida demonstrou ser passivel de ser melhorado. A US 6,528,115 refere-se a um elemento deslizante com um revestimento de carbono com uma relação sp2/sp3 variável, que pode, em especial, diminuir a partir do substrato, e que pode, novamente, aumentar para o lado exterior do revestimento. 0 EP 1 992 715 Al e SIEGAL Μ P ET AL: "Bonding topologies in diamondlike amorphous-carbon films" APPLIED PHYSICS LETTERS, AIP, AMERICAM INSTITUTE OF PHYSICS, MELVILLE, NY, US LNKD- DOI:10.1063/1.126250. Vol. 76, n.° 15, 10 de abril de 2000 (2000-04-10), páginas 2047-2049, XP012025020 ISSN: 0003-6951 divulgam ambos revestimentos ta-C com gradientes de tensão residual.

Objeto da Invenção A invenção tem por objetivo proporcionar um elemento deslizante de um motor de combustão interna, em especial um anel de pistão, que apresenta um revestimento, que, por um periodo de tempo tão longo quanto possível, seguramente possui características de fricção favoráveis. O objetivo é alcançado através do elemento deslizante, descrito na reivindicação 1.

Em conformidade, este apresenta um revestimento de DLC do tipo ta-C, que possui tensões residuais variáveis sobre a sua espessura. Em outras palavras, pelo menos um gradiente de tensão residual é formado sobre a espessura do revestimento. DLC refere-se conhecidamente a carbono tipo diamante. O tipo ta-C é caracterizado por uma estrutura 3 tetraédrica, não contém hidrogénio e está, por exemplo, definido na Diretiva VDI 2840. Uma tal camada fornece um bom comportamento de fricção e apresenta também um tempo de vida particularmente alto, pelas razões apresentadas abaixo.

Por um lado, a variação das tensões residuais sobre a espessura da camada permite a criação de espessuras de camada mais grossas, por exemplo com mais do que 10 pm, sem que ocorram problemas em relação à aderência ou fragilidade da camada. Foi, de facto, possível determinar que, por exemplo, zonas de tensões residuais da camada mais baixas relaxam ou aliviam localmente a tensão em toda a camada de compósito, isto é, o revestimento multicamada especialmente previsto. Assim, em tensões de cisalhamento elevadas, como ocorrem com o uso em um motor de combustão interna, o limite de cedência do revestimento de DLC não é excedido. Deste modo, o desgaste do revestimento pode ser limitado com sucesso.

Para uma região central do revestimento, isto é, não totalmente exterior e não totalmente interior, provou ser efetivo um gradiente negativo de tensão residual, que é, preferencialmente, mais pequeno do que o gradiente negativo de tensão residual no interior, isto é, na região do revestimento virada para o material de base. Assim, a tensão residual com o nível mais elevado situa-se comparativamente longe do exterior do revestimento, o que implica um comportamento favorável. Neste contexto, a região central apresenta uma espessura da camada maior, em especial claramente maior, cerca de três vezes mais espessa, em relação à região interior.

Realizações preferenciais do elemento deslizante, de acordo com a invenção, são descritas nas reivindicações seguintes. 4

Para a passagem do revestimento para o material de base do elemento deslizante, um gradiente negativo de tensão residual, quando observado do exterior para o interior, demonstrou ser vantajoso neste, isto é, em uma região interior do revestimento. Em outras palavras, as tensões residuais em direção ao material de base descem para um valor baixo, para ser obtida uma passagem favorável de tensão para o material de base e uma boa aderência da camada.

Para uma região exterior, demonstrou ser favorável um gradiente positivo de tensão residual, quando observado do exterior para o interior. Em outras palavras, a tensão residual na superfície exterior do revestimento encontra-se em um nivel comparativamente baixo, o que demonstrou ser vantajoso para um comportamento de rodagem favorável. A partir daqui, as tensões residuais aumentam, no entanto, de preferência, grandemente em direção ao interior, de modo a que os efeitos acima descritos possam ser obtidos.

Em especial para elementos deslizantes, para os quais é expectável uma pressão na superfície extremamente elevada, é favorável uma distribuição constante e baixa da tensão residual em uma região interior, isto é, diretamente adjacente ao material de base.

Para além disso, o comportamento de rodagem pode ser ainda melhorado, por via de uma distribuição igualmente constante e comparativamente baixa da tensão residual, que está prevista no lado exterior do revestimento, mas preferencialmente a um nivel mais alto do que na região mais interna. 5

Em uma forma de realização alternativa, aqui de igual modo descrita, revelaram-se serem vantajosas tensões residuais extensamente alternadas em uma região central, para evitar a propagação de fissuras no revestimento. Neste contexto, o tamanho das zonas com tensões residuais baixas pode ser mais pequeno, igual ou maior do que o tamanho das zonas com maior tensão residual.

Valores de 0,01 até 1 pm são possíveis para a periodicidade, isto é, a espessura entre o inicio de uma região de tensão residual baixa, sobre uma região de tensão residual alta, até ao inicio da próxima região com tensão residual baixa.

No conjunto, através das medidas descritas é possível criar revestimentos com uma espessura de 10 pm ou mais, o que, por um lado, leva a um comportamento de rodagem favorável, igualmente apresentando, no entanto, uma espessura da camada suficiente, para, após inevitável desgaste, garantir um longo tempo de vida do revestimento com características de fricção favoráveis.

Para a criação das diferentes tensões residuais é, por exemplo, vantajosa uma variação da relação entre átomos de carbono hibridizados sp2 e sp3. Em especial, as tensões residuais de compressão podem ser aumentadas, através do aumento da fração sp3, o que, no conjunto, possibilita a formação de gradientes de tensão residual.

Tal aplica-se, de igual modo, quando a densidade aumenta, de modo a que numa alteração da densidade da camada sobre a sua espessura exista a possibilidade de as tensões residuais se alterarem, de modo vantajoso, sobre a espessura da camada. 6

Finalmente, prevê-se a alteração da dureza da camada sobre a sua espessura, uma vez que uma maior dureza resulta em maiores tensões residuais de compressão, de modo a que os gradientes de tensão residual desejados possam, deste modo, ser igualmente ajustados.

Breve Descrição das Figuras

Seguidamente são descritas em detalhe formas de realização da invenção, a título de exemplo, com referência às Figuras. Estas mostram:

Figura 1 - uma representação da distribuição de tensões residuais sobre a espessura de um revestimento de DLC em uma primeira forma de realização; e

Figura 2 - uma representação da distribuição de tensões residuais sobre a espessura de um revestimento de DLC em uma segunda forma de realização, não de acordo com a invenção.

Descrição Detalhada das Figuras

Nas Figuras, são mostradas as tensões residuais do revestimento de DLC correspondente sobre a espessura do revestimento, em que é mostrada uma região mais externa do revestimento à esquerda do diagrama, e uma região mais interna do revestimento à direita. Em outras palavras, o material de base, por exemplo aço ou ferro fundido, liga-se à direita ao revestimento com as tensões residuais apresentadas.

Na forma de realização da Figura 1, um gradiente negativo de tensão residual (do exterior para o interior) está 7 formado, a partir da região interior, ou da "base" do revestimento (zona III) . Em outras palavras, as tensões residuais na passagem para o material de base são particularmente baixas, para se obter uma boa passagem da tensão e uma boa aderência do revestimento. Em uma região central (zona II) a tensão residual continua a aumentar, ainda que com gradiente baixo, até ao nivel mais alto. No lado exterior (zona I), as tensões residuais baixam grandemente; em outras palavras, do exterior para o interior, é formado um gradiente positivo de tensão residual maior, o que leva a um comportamento de rodagem favorável. Assim, a região central II é significantemente maior do que a região interior III e/ou a região exterior I. Preferencialmente, a região central II é maior do que ambas as regiões referidas, I e III. Estas duas regiões I, III podem ter aproximadamente a mesma espessura. A região central II é, preferencialmente, significantemente maior do que as outras duas regiões e, em particular, cerca de três vezes mais espessa do que cada uma das outras regiões, I e III.

Na forma de realização da Figura 2, em uma zona mais exterior I, as tensões residuais estão primeiramente em nivel baixo constante, sendo que, seguidamente, aumentam grandemente (zona 1.2). Tal proporciona uma passagem com esforço adequado entre a zona I e uma zona II, em que as tensões residuais alternam extensamente. Em particular sob cargas de tensão de cisalhamento, um estado de tensões residuais constate e alto mostrou ter nomeadamente risco de fissuras. As tensões residuais alternadas, na zona II, impedem a propagação de fissuras. Nesta região, a periodicidade cx pode encontrar-se, por exemplo, entre 0,1 e 1 pm. De modo semelhante à forma de realização da Figura 1, está ligada ao material de base (à direita da Figura) uma zona III.1 com um gradiente altamente negativo de tensão 8 residual, e, diretamente adjacente ao material de base, está prevista uma zona III.2 com um comportamento de tensão residual constantemente baixo, para se obter uma boa passagem da tensão para o material de base e uma boa aderência. 0 nivel de tensão residual na zona III.2 pode ser, particularmente, mais baixo, do que o nivel na zona mais exterior 1.1 e, na zona II, as tensões residuais podem variar entre valores máximos absolutos e um nivel um pouco acima do nivel da zona I. É de referir que as regiões I, que se estendem do ponto D até ao ponto C, aproximadamente correspondem uma à outra em ambas as Figuras. Tal aplica-se, de igual forma, à região central II, isto é, entre o ponto C e B, e a respetiva região III, em outras palavras, entre o ponto B e A. Em particular, as relações de espessura acima mencionadas também se aplicam à Figura 2. Deve, por fim, ser mencionado que as caracteristicas individuais das formas de realização mencionadas podem ser combinadas entre si, desde que não sejam contraditórias entre si.

Lisboa, 27 de Junho de 2013

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Elemento deslizante de um motor de combustão interna, em especial anel de pistão, com um revestimento de DLC do tipo ta-C, que apresenta, sobre a sua espessura, tensões residuais variáveis e, por conseguinte, pelo menos um gradiente de tensão residual, caracterizado por um gradiente negativo de tensão residual ser formado em uma região central (II) do revestimento, quando observado do exterior para o interior, que é preferencialmente mais pequeno do que em uma região interior (III), e por a região interior (III) apresentar uma espessura da camada mais pequena do que a região central (II) , em que o revestimento é de 10 pm ou mais espesso.

2. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por em uma região virada para material de base (III) ser formado um gradiente negativo de tensão residual, quando observado do exterior para o interior.

3. Elemento deslizante, de acordo com as reivindicações 1 ou 2, caracterizado por em uma região exterior (I) ser formado um gradiente positivo de tensão residual, quando observado do exterior para o interior.

4. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por, em uma região mais interna (III.2) e/ou em uma região mais externa (1.1) do revestimento, as tensões residuais serem em grande parte constantes.

5. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por, em uma 2 região mais interna, as tensões residuais serem mais baixas, do que em uma região mais externa do revestimento.

6. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por, pelo menos, em uma região com um gradiente de tensão residual existir uma relação variável entre átomos de carbono hibridizados sp e sp .

7. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por, pelo menos, em uma região com um gradiente de tensão residual existir uma densidade variável da camada.

8. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado por, pelo menos, em uma região com um gradiente de tensão residual existir uma dureza variável da camada. Lisboa, 27 de Junho de 2013