PT2545202E

PT2545202E - Anel do segmento de pistão e método para o revestimento de um anel do segmento de pistão

Info

Publication number: PT2545202E
Application number: PT117042234T
Authority: PT
Inventors: Marcus Kennedy; Michael Zinnabold
Original assignee: Federal Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2014-10-13
Also published as: KR101711844B1; EP2545202A1; US9103015B2; BR112012022007A2; DE102010002686A1; WO2011110413A1; RU2012142813A; BR112012022007B1; EP2545202B1; RU2558024C2; KR20130048719A; JP2013521413A; US20130004756A1; JP5901546B2; CN102770584A; CN102770584B

Description

1 DESCRIÇÃO "ANEL DO SEGMENTO DE PISTÃO E MÉTODO PARA O REVESTIMENTO DE ΌΜ ANEL DO SEGMENTO DE PISTÃO" Área da invenção A invenção refere-se a um anel do segmento de pistão com um revestimento, bem como um método para o revestimento de um anel do segmento de pistão.

Em muitas aplicações técnicas são utilizados elementos deslizantes em contacto deslizante com parceiros de execução. Enquanto aplicação típica pode ver-se a combinação de um anel do segmento de pistão com uma camisa de cilindro. Contanto que as ligas de cilindro ou as camisas de cilindro sejam realizadas por exemplo por liga de alumínio-silício, que é o caso em particular dos motores Otto os sistemas de revestimento DLC (diamond like carbon) provaram ser eficazes no que respeita ao desgaste e ao atrito. No entanto os sistemas de revestimento DLC conhecidos em termos da sua duração de vida bem como da sua aplicabilidade para motores com alimentação a diesel ou a gasolina são melhorados com revestimentos de cilindro de camisas de cilindro à base de ferro. Devido às pressões elevadas do cilindro e em particular em combinação com injeção direta ocorre uma maior percentagem de atrito de mistura. Como um dos principais motivos para a falta de adequação dos sistemas de revestimento DLC para tais situações é geralmente utilizada uma reduzida espessura de revestimento com menos de menos de 5 μπι.

Estado da técnica

Da DE 10 2005 063 123 B3 surge um revestimento DLC com 2 uma camada de revestimento. Para alcançar espessuras de camada mais elevadas são conhecidos mais revestimentos PVD de espessura de camada apresentando uma gama de 10-30 pm em especial à base de CrN. Isto resulta de facto numa duração de vida melhorada, mas piora o atrito e resistência ao desgaste especialmente perante lubrificação insuficiente e perigo de incêndio. Os sistemas alternativos de revestimento DLC com base na sua estrutura amorfa têm a vantagem de apresentar uma ampla inércia química com superfícies metálicas possuindo desse modo uma muito baixa tendência adesiva em relação ao parceiro em execução.

Isto aplica-se por exemplo ao revestimento de acordo com o documento DE 10 2008 016 864 B3, cujo interior tem uma camada de carbono amorfo contendo metal e no exterior uma camada de carbono amorfo isento de metal.

Objetivo da invenção O objetivo da invenção é proporcionar um anel do segmento de pistão, que em particular quando utilizado em motores de alimentação a diesel ou a gasolina, por exemplo com parceiros de funcionamento à base de ferro satisfaça as exigências no que se refere à duração de vida e redução de atrito. Além disso é fornecido um método de revestimento de um anel do segmento de pistão.

Este objetivo é atingido pelo anel do segmento de pistão descrito na reivindicação 1. 0 revestimento nele fornecido é caraterizado por uma pluralidade de camadas alternadas de CrN e de a-C:H:Me. Em experiências iniciais, verificou-se que através de tal revestimento em camadas é possível melhorar tanto a duração de vida como o coeficiente de atrito.

Por uma questão de referência o termo Me corresponde aqui a metal podendo ser usados o tungsténio, cromo, titânio ou silício. Tanto o a-C:H:Me como as camadas de 3 revestimento abaixo mencionadas a-C:H- camada são camadas DLC e proporcionam um desgaste relativamente baixo e boas propriedades de atrito Em particular presume-se que, devido a diferentes pressões de contacto radial e assim produzido diferentes taxas de desgaste presentes por exemplo em torno do anel do segmento de pistão e sobre a superfície do anel sendo pelo menos parcialmente DLC, de modo que as boas propriedades de atrito permanecem, ainda que sob condições particulares de lubrificação insuficiente. Isto é combinado de uma maneira vantajosa, com as vantagens que oferece a secção CrN em termos de desgaste. A camada DLC oposta geralmente de maior resistência ao desgaste do que a CrN podendo atuar vantajosamente desde o inicio ou no caso da camada superior externa DLC ter sofrido desgaste. 0 revestimento de multicamadas descrito oferece para além disso a vantagem de poderem ser realizadas combinações de espessuras de camadas mais elevadas do que as de sistemas DLC de revestimento convencionais. Isto deve-se principalmente ao facto de as elevadas tensões residuais DLC face ao CrN poderem ser compensadas pelas CrNCrN totais dentro do revestimento. 0 revestimento pode ser em particular pelo menos parcialmente composto por pelo menos uma superfície de piso. Além disso, o revestimento pode estender-se para áreas e a partir de áreas, adjacentes à superfície do piso. Isto inclui por exemplo, os flancos de um anel do pistão. Deve igualmente ser mencionado que um pedido pela requerente intitulado "mola de compressão helicoidal para um anel raspador de um pistão de motor de combustão interna e um método para o revestimento de uma mola helicoidal de compressão" da presente requerente foi no mesmo dia arquivado em que foi apresentado um revestimento semelhante tal como aqui descrito para uma mola de compressão helicoidal. Todas as caraterísticas do revestimento aí especificadas são igualmente aplicáveis ao revestimento 4 aqui descrito. Além disso a mola de compressão helicoidal descrita no pedido acima mencionado, em qualquer das formas de realização ai descritas, deve ser considerada de uma maneira vantajosa quando em combinação com o anel do segmento de pistão aqui descrito como o objeto do presente pedido. Além disso, foi no mesmo dia apresentado um pedido com o titulo "Método para o revestimento pelo menos da superfície interna de um anel do segmento de pistão bem como do anel do segmento de pistão" pela requerente. Todas as medidas aqui descritas, relacionam-se em particular com o revestimento da superfície interna de um anel do segmento de pistão podendo ser aplicadas sobre o anel do segmento de pistão aqui descrito, e o método descrito no citado pedido pode ser aplicado particularmente ao revestimento em outras áreas para além das da superfície interna.

Formas de realização preferidas são descritas nas reivindicações seguintes.

Para a adesão do revestimento de CrN sobre o substrato, bem como do anel do segmento de pistão, é preferivelmente formada por ferro fundido ou aço, tendo-se demonstrado vantajosa uma camada adesiva formada por crómio. Esta pode nomeadamente ser depositada apresentando de preferência uma espessura de revestimento inferior a 1,0 μιτι. A espessura mínima da camada adesiva é presentemente de 0,01 pm de preferência.

Em particular a camada adesiva descrita acima atualmente preferida é uma camada de CrN de revestimento interno do conjunto de pluralidade de camadas acima descrito.

Para a camada mais externa do anel do segmento de pistão de acordo com a invenção, o qual se encontra em contacto deslizante com o seu parceiro de execução é preferida uma secção de camada DLC isenta de metais, por outras palavras uma camada do tipo a-C: H de preferência. Tal camada assegura o melhor comportamento de funcionamento 5 possível. Em relação à espessura as camadas de 0,1 a 5,0 pm demonstraram-se vantajosas. A espessura mínima de 0,1 pm é vantajosa para um bom comportamento em funcionamento. A espessura máxima da camada ocorre devido à resistência à tração mínima, que é inferior em camadas mais espessas. Para a camada de revestimento mais externa ou camada superior descrita da aplicação tanto é concebível uma camada CrN como uma camada a-C:H:Me.

Para as camadas individuais de CrN e camadas a-C:H:Me são de preferência de espessura de 50 nm a 400 nm. Uma espessura superior a 50 nm, oferece a vantagem de, quando utilizada na série, ser assegurada a capacidade de teste da estrutura em camadas. A espessura total do revestimento destina-se de modo vantajoso a assegurar uma boa duração de vida útil, com bom comportamento de fricção, de 2 a 40 pm. Neste contexto podem por exemplo contar-se entre 10 e 400 o número de camadas individuais.

Para a dureza da CrN foram comprovados valores de 800-1900 HV 0,002. Esta formação pode ser combinada com uma camada DLC isenta de metal de dureza entre 1700-2900 HV 0,002 e / ou dureza de camada DLC contendo metal entre 800- 1600 HV 0,002.

Prevê-se ainda ser capaz de definir propriedades particularmente boas da camada DLC, em particular da camada DLC isenta de metal e/ou contendo metal, quando esta contém hidrogénio A camada DLC contendo metal pode com maior vantagem incluir precipitados de carboneto de metal nano cristalino como B. WC, CrC, SiC,GeC ou TiC. A solução do objeto acima mencionado é igualmente conseguida através do método descrito na reivindicação 9. O revestimento pode ser vantajosamente preparado como descrito no procedimento da invenção por meio de uma combinação de pulverização catódica com o método PA-CVD. 6

Será ainda uma divulgação da combinação de pelo menos um anel do segmento de pistão descrito acima com um parceiro de funcionamento, em particular um cilindro ou uma camisa de cilindro de um motor de combustão interna, em particular um motor alimentado a diesel ou a gasolina, em que o parceiro de execução é à base de ferro.

Breve descrição dos desenhos

Uma forma de realização preferida da invenção é explicada em detalhe com referência aos desenhos. Nos desenhos: A figura 1 mostra um revestimento em camadas de acordo com a invenção; e a figura 2 mostra o desgaste relativo do anel do segmento de pistão com revestimentos diferentes.

Descrição detalhada de uma forma de realização preferida da invenção

Conforme representado na figura 1 é aplicada uma camada adesiva de crómio 12 sobre o material de base 10 do anel do segmento de pistão. De seguida e de dentro para fora alternadamente são aplicadas camadas múltiplas de CrN 14 e camadas de a-C:H: Me-camada 16. A camada mais externa é formada por uma a-C:H. No exemplo mostrado, a mesma é aplicada a uma camada DLC-, mas também pode igualmente ser aplicada sobre uma camada CrN.

Com uma tal estrutura foram realizados testes com exemplos comparativos. A tabela mostra os sistemas de revestimento utilizados. 7

Variante Estrutura em camadas Substrato <- piso Camada adesiva Subestrutura Camada intermédia Camada superior A Não revestido - - - - B DLC double layer 01 Cr — a-C:H-01 C DLC double layer 02 Cr — Me(CN)x a-C:H-02 D DLC double layer 3 Cr CrN Cr a-C: H E Multilayer DLC Cr CrN / a-C:H:W alternadamente 1 o

Estes sistemas de revestimento foram aplicados a um anel do segmento de pistão, e foi investigado o comportamento tribológico em combinação com uma camisa de cilindro de ferro fundido em condição lubrificada. 0 sistema de revestimento, que apresenta o maior desgaste é definido como 100%. Na figura 2 é claramente mostrado que a partir de um revestimento DLC, quando comparado com uma superfície não revestida, o desgaste é reduzido em cerca de 50%. O sistema de revestimento de acordo com a invenção (tipo E) apresenta o menor desgaste relativo. Isto é conseguido de acordo com os resultados iniciais pela estrutura mais estável do sistema de múltiplas camadas e o comportamento otimizado de desgaste e atrito resultante. 8

DOCUMENTOS REFERIDOS NA DESCRIÇÃO

Esta lista de documentos referidos pelo autor da presente solicitação 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 • DE 102005063123 B3 [0003] • DE 102008016864 B3 [0004]

Claims

1 REIVINDICAÇÕES 1. Anel do segmento de pistão, de preferência de ferro fundido ou de aço, com um revestimento, apresentando alternadamente uma pluralidade de camadas de revestimento CrN (14) e a-C:H:Me (16).

2. Anel do segmento de pistão de acordo com a reivindicação 1, caraterizado por sobre um substrato (10) do anel do segmento de pistão ser aplicada uma camada adesiva de crómio (12), tendo preferencialmente de 0,01 a 1,0 pm de espessura.

3. Anel do segmento de pistão de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caraterizado por a camada mais interna das camadas alternadas, ser de CrN (14) 1 e

4. Anel do segmento de pistão de acordo com uma das reivindicações anteriores, caraterizado por a camada mais exterior ser de a-C:H (18), de preferência com uma espessura de 0 ,1 a 5,0 pm.

5. Anel do segmento de pistão de acordo com uma das reivindicações anteriores, caraterizado por ; a camada CrN e/ou a camada a-C:H:Me terem uma espessura de 50 nm a 400 nm.

6. Anel do segmento de pistão de acordo com uma das reivindicações anteriores, caraterizado por o revestimento ter uma espessura total de 2 a 40 pm.

7. Anel do segmento de pistão de acordo com uma das reivindicações anteriores, caraterizado por a dureza do revestimento CrN andar na gama de 800-1900 HV 0,002, e/ou a dureza da secção isenta de metal DLC andar na gama de 1700- 2 2900 HV 0,002, e/ou a dureza da camada contendo metal DLC andar na gama de 800-1600 HV 0,002.

8. Anel do segmento de pistão de acordo com uma das reivindicações anteriores, caraterizado por pelo menos uma camada DLC metálica depositada por vapor e/ou a camada DLC contendo metal e/ou isenta de metal ser produzida pelo método PA-CVD.

9. Método para o revestimento de um anel do segmento de pistão, de preferência de ferro fundido ou aço, em que são aplicadas alternadamente várias camadas de CrN e a-C:H:Me.

10. Método de acordo com a reivindicação 9, caraterizado por o revestimento ser produzido por uma combinação de pulverização catódica e de PA-CVD.