PT2914761T

PT2914761T - Elemento de deslizamento, em particular segmento de êmbolo, com um revestimento

Info

Publication number: PT2914761T
Application number: PT137858569T
Authority: PT
Inventors: Zinnabold Michael; Kennedy Marcus; Lammers Ralf; Ivanov Yuriy
Original assignee: Federal Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2016-11-08
Also published as: WO2014068040A1; BR112015009584A2; JP6333270B2; RU2632338C2; EP2914761A1; JP2016502593A; US20150292622A1; KR20150080540A; EP2914761B1; US9488276B2; KR102184805B1; CN104812926B; CN104812926A; DE102012219930A1; RU2015120606A; BR112015009584B1

Description

DESCRIÇÃO "ELEMENTO DE DESLIZAMENTO, EM PARTICULAR SEGMENTO DE ÊMBOLO, COM UM REVESTIMENTO"

Domínio Técnico da Invenção A invenção diz respeito a um elemento de deslizamento - em particular um segmento de êmbolo comportando um revestimento sobre pelo menos uma superfície de deslizamento que, de dentro para fora, apresenta uma camada adesiva contendo metal e uma camada de DLC, composta por uma camada superficial e uma camada principal.

Tecnologia Antecedente

Condições legais cada vez mais rigorosas e o aumento das solicitações dos clientes para um menor consumo de combustível dos motores de combustão interna requerem uma redução sustentada das perdas por atrito mecânico. Mas isso também está associada com um aumento significativo de requisitos de componentes através da introdução de melhorias de desempenho, tais como injecção directa e turbo-compressão, o que, por sua vez, requer componentes particularmente resistentes ao desgaste.

Para assegurar a vida útil dos segmentos de êmbolo sobrecarregados são colocados progressivamente revestimentos de metais duros, como descrito no documento DE 44 19 713. Para isso são executados nitrometálicos como p. ex. CrN e TiN como camada simples ou múltipla, na maior parte das vezes por meio de Deposição Física de Vapor (PVD).

Por forma a reduzir o atrito no sistema de segmento de êmbolo/correia do cilindro são colocados revestimentos de DLC (diamond-like carbon) amorfos (VDI norma 2840). Contudo, estes apresentam uma vida útil ainda mais curta. E, devido à formação de tensões residuais, que reduzem a aderência e assim a vida útil, as espessuras das camadas aplicadas estão limitadas a 5 μΐη, como descrito no documento DE 10 2005 063 123 B.

Os documentos DE 40 40 456 Cl e DE 198 50 218 Cl descrevem a produção de sistemas de camadas de carbono amorfo, isentos de hidrogénio, por meio de processos de pulverização catódica convencionais ou dos chamados processos Arc de vácuo. A dureza das camadas promete melhores valores de desgaste. A dureza é determinada pelo carácter de ligação, ou seja, a espessura de sp2 para sp3 de fixação de carbono. Quanto maior é a proporção de sp3 tanto mais dura e rija é a camada DLC. A produção das chamadas camadas isentas de hidrogénio ou isentas de oxigénio e de hidrogénio, amorfas em forma de diamante encontra-se descrita na DE 10 2008 022 039 AI e EP 0 724 023 Al. O documento JP 2000 128516 A divulga um elemento deslizante revestido, que abrange uma camada adesiva metálica, uma primeira camada DLC, isenta de hidrogénio e uma segunda camada DLC com hidrogénio.

Contudo, a dureza elevada e com o módulo de elasticidade das camadas de carbono amorfo isentas de hidrogénio, em forma de diamante acarretam também alguns problemas tecnológicos. Por um lado, as superficies das camadas muito duras devem ser completamente planas, por forma a evitar que, em caso de pressão sobre as superfícies, não ocorram rupturas nas superfícies e com isso falhas no sistema de camadas. Por outro lado, os diferentes coeficientes de expansão térmica do material de base do elemento de êmbolo e do seu revestimento conduzem ao chamado efeito bimetálico. Este é reforçado pelas diferenças no módulo de elasticidade de ambos os materiais. Como consequência do aumento da temperatura a pressão na área da articulação do segmento de êmbolo, o que pode acelerar o desgaste. Além disso, o acessório (correia do cilindro) pode ser danificado devido a desgaste por fricção e ao desgaste do cilindro.

Apresentação da Invenção A invenção tem basicamente como objectivo proporcionar um elemento de deslizamento, em particular um segmento de êmbolo para motores de combustão, com propriedades mecânicas ideais e tribológicas. Mais precisamente, o objectivo é preparar um elemento de deslizamento cuja superfície assegure o mínimo de atrito possível e/ou o mínimo possível de desgaste e/ou uma elevada resistência às marcas de abrasão e/ou uma vedação ideal e controlo do óleo por meio de elevada robustez geométrica e assim, um segmento de êmbolo com uma vida útil mais elevada. Assim, os sistemas de materiais endurecidos opostos terão uma maior dureza e/ou elevada resistência ao desgaste com suficiente resistência ao cisalhamento e/ou pouco atrito e/ou inércia. Além disso, o efeito bimetálico deve ser evitado ao máximo.

De acordo com a invenção o objectivo é alcançado pelo elemento de deslizamento conforme a reivindicação 1. Circunstâncias e desenvolvimentos vantajosos da invenção podem ser alcançado com as características mencionadas nas reivindicações subordinadas. 0 elemento de deslizamento - em particular um segmento de êmbolo - comportando um revestimento sobre pelo menos uma superfície de deslizamento que, de dentro para fora, apresenta uma camada adesiva contendo metal e uma camada de DLC, em que a camada DLC é uma camada de carbono amorfo isenta de hidrogénio, em forma de diamante, que apresenta uma camada principal DLC que se estende desde a camada adesiva até uma camada superficial DLC subsequente e apresenta uma quantidade de carbono de mais de cerca de 98,5 %, de oxigénio e/ou hidrogénio e/ou azoto com uma quantidade de menos de cerca de 0,5 % e uma relação sp2/sp3 do carbono entre cerca de 1 e cerca de 3, e apresenta uma camada superficial DLC que se estende da camada principal DLC até à superfície do elemento de deslizamento e apresenta uma quantidade de carbono mais baixa, comparativamente com a camada principal, e/ou uma quantidade de oxigénio aumentada e/ou de hidrogénio, bem como de metais e/ou óxidos metálicos e uma relação sp2/sp3 do carbono entre cerca de 1 e cerca de 3. O elemento de deslizamento descrito é vantajoso no que respeita a redução do atrito e do desgaste devido à elevada dureza e boas características de inércia da camada DLC. A relação sp2 sp3 de acordo com a invenção é particularmente vantajosa para a redução do desgaste do anel no meio sobre o perímetro do anel e para o desgaste na área de articulação do segmento de êmbolo, reduzindo o efeito bimetálico, entre outros, ao reduzir o módulo de elasticidade. A robustez geométrica aumentada também ajuda a manter uma vedação ideal e controlo do óleo.

Além disso, a área da invenção da relação sp2/sp3 é especialmente vantajosa uma vez que esta permite a definição de uma combinação ideal de propriedades de dureza e elasticidade da camada DLC. Graças às suas propriedades tribológicas ideais, o metal existe na camada superficial de DLC predominantemente como óxido metálico e actua como um lubrificante sólido. Em geral, isto resulta num elemento de deslizamento com elevada resistência ao desgaste e vida útil aumentada. A camada DLC apresenta uma relação sp2/sp3 do carbono de preferência, com cerca de 1,05 a cerca de 2. Esta gama preferida permite uma boa adaptação da camada DLC para o material de base do elemento de deslizamento. Em particular, o módulo de elasticidade pode ser reduzido e, assim, melhorada a elasticidade da camada DLC, e p.ex. o efeito bimetálico pode ser reduzido. Num outro modelo de realização preferido, a camada superficial de DLC contém ferro e hidróxidos de ferro, que podem ser FeO e Fe304, como foram detectadas por difracção de raios-X. Além disso, a camada superficial de DLC apresenta uma quantidade de ferro de cerca de 30 % ou menos. A partir da literatura sabe-se que os óxidos de ferro podem ser utilizados como lubrificantes sólidos para reduzir o atrito. Além disso, são materiais muito mais suaves do que os revestimentos de DLC isentos de hidrogénio, o que pode melhorar significativamente o comportamento de entrada. Uma proporção definida destes metais e óxidos metálicos leva a uma optimização do desgaste, do comportamento de entrada e do atrito. A partir de medições utilizando um microscópio electrónico de varrimento no modo BSE (Electrões retrodi-fundidos) determinou-se a proporção de metais e os óxidos de metal directamente na superfície, de acordo com um modelo de realização preferido da invenção. Esta é cerca de 5-40 %, de preferência cerca de 5-25 %.

Em particular, é preferível que os metais e/ou os óxidos metálicos, apresentados na camada superficial de DLC, existam ou estejam armazenados particularmente nas rugosidades da camada superficial de DLC. É ainda preferível que os metais e/ou óxidos metálicos encontrem apenas na camada superficial.

De preferência, a camada superficial de DLC apresenta ainda uma quantidade de carbono de cerca de 25 % ou menos e, de preferência, uma quantidade de oxigénio de cerca de 50 % ou menos.

De uma forma vantajosa, uma superfície da camada superficial apresenta, sob condições atmosféricas normais, cerca de 20 % a cerca de 30 % de ligações C-O, cerca de 8 % a cerca de 15 %, de preferência cerca de 10 % a cerca de 15 % de ligações C=0 e cerca de 6 % a cerca de 10 % de ligações 0-C=0. A proporção de ligações C-0 aumentada, particularmente na camada conforme a invenção, leva a uma saturação da fixação de carbono e, com vantagem, para uma redução do desgaste e do atrito. A camada superficial de DLC apresenta uma espessura de até cerca de 2 μπι, de preferência cerca de 1 μ^, e a camada principal de DLC tem uma espessura de cerca de 5 μΓη até cerca de 40 μΐη. As espessuras preferidas garantem, de forma positiva, uma longa durabilidade e vida útil do revestimento e, portanto, uma protecção de longa duração contra o desgaste abrasivo e adesivo e falha dos componentes. A quantidade de metal e/ou a quantidade de oxigénio e/ou a quantidade de hidrogénio aumentam dentro da camada superficial de DLC para o exterior da mesma. A concentração preferida destes elementos no exterior leva a propriedades tribológicas vantajosas do revestimento e à redução do desgaste do anel ao meio no perímetro do anel e do desgaste na área de articulação do segmento de êmbolo. A camada DLC apresenta, de preferência, uma dureza de cerca de 1800-3500 HV0.02 e/ou ainda preferível um módulo de elasticidade de cerca de 150-320 GPa. A combinação de elevada dureza em comparação com materiais de metal duro convencional e módulos de elasticidade reduzidos em comparação com materiais de DLC convencionais, em particular, livres de hidrogénio é particularmente vantajoso porque a resistência ao desgaste e robustez geométrica aumentam e o efeito bimetálico pode ser reduzido.

De forma vantajosa, a camada DLC tem ainda uma rugosidade superficial média de Rz < cerca de 2 μΐη, de preferência Rz < cerca de 1 μΐη e uma altura do pico reduzida de RPK < cerca de 0,15 μΐη, de preferência RPK <cerca de 0,1 μπι. Esta baixa rugosidade, o que pode ser conseguido em superfícies mais suaves com menor esforço técnico é particularmente vantajosa porque uma tal falha do sistema de camadas pode ser reduzida através de ruptura devido a irregularidades nas camadas duras de carbono. A camada adesiva apresenta uma espessura de, preferencialmente, cerca de 0,05 até cerca de 1,0 μΐη e melhor ainda se contiver crómio ou titânio. Além disso, o material de base do elemento de deslizamento é, preferencialmente, ferro fundido ou aço. Este modelo de realização conforme a invenção, assegura, em primeiro lugar, uma ligação ideal e durável das camadas de DLC redutoras de desgaste com o material de base do elemento de deslizamento, contribuindo de forma significativa para a sua funcionalidade.

Breve descrição das figuras A figura 1 é uma representação da estrutura esquemática de um revestimento de um elemento de deslizamento. A figura 2 é um registo feito utilizando um microscópio electrónico de varrimento no modo BSE (Electrões retrodifundidos) de uma fenda na camada de carbono amorfo polido, isento de hidrogénio do tipo diamante. A figura 3 representa os valores médios relativos de desgaste do segmento ao longo do perímetro do elemento de deslizamento descrito e testado na tabela 1. A figura 4 representa os valores médios relativos de desgaste do segmento na área da articulação do elemento de deslizamento descrito e testado na tabela 1.

Formas de realização da invenção A figura 1 representa a estrutura de um revestimento de um elemento de deslizamento, de acordo com a invenção. A camada adesiva 1 conecta-se directamente ao material de base do elemento de deslizamento. Nesta camada adesiva, a camada principal de DLC 2 é aplicada e, nesta, como uma camada de superfície, a camada superficial de DLC. 3. A figura 2 mostra uma vista lateral do revestimento feita com um microscópio electrónico de varrimento. No contraste BSE (Electrões retrodifundidos) dependente do material, o material 4 com carbono aparece a cinzento e preto. Além disso, são visíveis áreas brancas perto da superfície da camada representando material ferroso 5. As setas 6 e 7 indicam as espessuras do material ferroso em pontos de medição exemplares seleccionados. A tabela 1 oferece uma visão geral de três revestimentos diferentes de um elemento de deslizamento, em particular de um segmento de êmbolo, e lista as suas designações, os processos de fabricação, espessura da camada, as propriedades mecânicas e a relação sp2/sp3. 0 sistema de camadas "PtaC2" corresponde a um modelo de realização preferida da presente invenção.

Todos os elementos de deslizamento foram validados num teste de motor, ou seja num motor a diesel sobrecarregado com uma pressão de combustão de 200 bar e uma potência especifica de 71 kw/litro de cilindrada. A figura 3 e a figura 4 mostram uma comparação do desgaste médio relativo do anel no perímetro do anel e o desgaste médio relativo do anel na área de articulação, após 500 horas de tempo de funcionamento, em que a tecnologia antecedente sob a forma do revestimento CrN é utilizada como uma referência (100%) . O molde de realização preferido é particularmente vantajoso, ou seja, comparativamente tem pouco desgaste. É estranho que a quantidade de sp3 reduzida cause isto, em comparação com a tecnologia antecedente, uma vez que o "PtaC2" apresenta uma menor dureza e um módulo de elasticidade mais baixo do que o "PtaCl".

Além disso, o efeito de selagem dos segmentos de êmbolo fabricados foi determinada nos anéis tensionados por meio de um relatório do contorno, a partir dos revestimentos na Tabela 1. A partir daí é determinada a pressão radial ao longo de todo o perímetro do anel.

Em comparação com o "PtaCl", o modelo de realização preferido "PtaC2" caracteriza-se por uma área sem pressão na articulação do anel com pouca entrada, e é à prova de luz. Este apresenta uma boa robustez geométrica e efeito de vedação mesmo a temperaturas mais elevadas.

Em seguida, o acabamento de superfície necessário das camadas denominadas "PtaC" pode alterar a sua microestrutura e composição superficial. Foi medido por meio de SIMS (Espectrometria de Massa de Iões Secundários) que nas camadas "PtaCl" e "PtaC2" após tratamento/alisa-mento ocorreu um aumento na quantidade de oxigénio de < cerca de 0,5 % a uma profundidade de cerca de 500 nm até ao material básico, de até cerca de 47 % na região próxima à superfície. Da mesma forma, a quantidade de ferro aumentou de < cerca de 1 % até cerca de 23 % e a quantidade de carbono diminuiu de cerca de 99 % na profundidade da camada DLC até cerca de 30 % na região próxima da superfície.

Tabela 1 i Designação j Processo dei: Espessura de I Módulo de I Dureza í: Relação : i | produção ij camada [jum] I elasticidade I [HV0.02] ÍS sp2/sp3 j !|| I [GPa] I | | i PCN \ PVD | 32 i 230-270 i 1180-1370 | - j ; "PtaCl" | PVD | 22 j 370-410 j 3300-4500 j 0,8-1 j I "PtaC2" | PVD 23 j 185-210 | 2470-2940 : 1,05-2 j

Com base no MEV (microscópio electrónico de varrimento), a tabela 2 disponibiliza as proporção de Fe na superfície para os revestimentos "PtaCl" e "PtaC2". Além disso, com base no XPS (Espectroscopia de fotoelectrões X), a tabela 2 disponibiliza medidas para uma área da superfície com uma espessura de aproximadamente 10 nm, ou seja, da camada superficial 3, as proporções das ligações carbono-oxigénio.

Em comparação com o "PtaCl", o revestimento "PtaC2", conforme um modelo preferido de realização da invenção, caracteriza-se por uma proporção de Fe na superfície relativamente grande bem como uma quantidade mais elevada de ligações simples C-0. Espera-se que todo o carbono não ligado com oxigénio estabeleça uma ligação com hidrogénio numa atmosfera normal, que tem uma entalpia de formação menor do que uma ligação de C-0 e, portanto, o "PtaCl" apresentará, por oposição ao "PtaC2", menor resistência ao desgaste bem como maior fricção. No entanto, este tipo de ligação não é detectável por XPS.

Tabela 2

O elemento de deslizamento, conforme a invenção, pode ser produzido por meio de processos de PVD, em que são vaporizados, por exemplo, crómio como camada adesiva e

carbono, ionizado e depositado nos campos electromagnéticos sobre um material de base do elemento de deslizamento. 0 processamento adicional do elemento de deslizamento é efectuada através de um processo subsequente, em que ocorre uma transferência de material de um material de processamento metálico, em associação com um processo termoquímico, por exemplo uma oxidação a baixa temperatura. Como resultado, depositam-se metais e/ou óxidos metálicos nas rugosidades da camada superficial de DLC, como pode ser claramente observado nas áreas brancas na fig. 2.

Claims

REVINDICATES 1. 0 elemento de deslizamento - em particular um segmento de êmbolo - comportando um revestimento sobre pelo menos uma superfície de deslizamento que, de dentro para fora, apresenta uma camada adesiva contendo metal e uma camada de DLC, em que a camada DLC é uma camada de carbono amorfo isenta de hidrogénio, em forma de diamante, que apresenta uma camada principal DLC que se estende desde a camada adesiva até uma camada superficial DLC subsequente e apresenta uma quantidade de carbono de mais de cerca de 98,5 %, de oxigénio e/ou hidrogénio e/ou azoto com uma quantidade de menos de cerca de 0,5 % e uma relação sp2/sp3 do carbono entre cerca de 1 e cerca de 3, e apresenta uma camada superficial DLC que se estende da camada principal DLC até à superfície do elemento de deslizamento e apresenta uma quantidade de carbono mais baixa, comparativamente com a camada principal, e/ou uma quantidade de oxigénio aumentada e/ou de hidrogénio, bem como de metais e/ou óxidos metálicos e uma relação sp2/sp3 do carbono entre cerca de 1 e cerca de 3.
2. Elemento de deslizamento de acordo com a revindicação 1, em que a camada DLC apresenta uma relação sp2/sp3 do carbono de preferência, com cerca de 1,05 a cerca de 2.
3. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-2 em que a camada superficial apresenta ferro e/ou hidróxidos de ferro.
4. Elemento de deslizamento de acordo com a revindicação 3, em que os hidróxidos de ferro são FeO e/ou Fe304.
5. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-4 em que a camada superficial DLC apresenta uma quantidade de ferro de cerca de 30 % ou menos.
6. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-5 em que a camada superficial DLC apresenta uma quantidade de carbono de cerca de 25 % ou mais.
7. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-6 em que a camada superficial DLC apresenta uma quantidade de oxigénio de cerca de 50 % ou menos.
8. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-7 em que uma superfície da camada superficial DLC apresenta as seguintes quantidades de C O: • C-0 cerca de 20 % até cerca de 30 %, • C=0 cerca de 8 % até 15 %, de preferência cerca de 10 % até cerca de 15 %, • 0-C=0 cerca de 6 % até cerca de 10 %.
9. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-8, em que os metais e/ou óxidos metálicos que se encontram na superfície do revestimento apresentam uma percentagem de cerca de 5-40 %, de preferência de cerca de 5-25 %.
10. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-9 em que a camada superficial DLC apresenta uma espessura de até cerca de 2 μΐη, de preferência cerca de 1 μΐη.
11. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-10 em que a camada principal DLC apresenta uma espessura de até cerca de 5 μΐη até cerca de 40 μΐη.
12. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-11, em que a quantidade de metal e/ou a quantidade de oxigénio e/ou a quantidade de hidrogénio dentro da camada superficial de DLC do seu lado exterior aumentam/aumenta.
13. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-12 em que a camada DLC apresenta uma dureza de cerca de 1800-3500 HVO.02.
14. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-13 em que a camada DLC apresenta um módulo de elasticidade de cerca de 150-320 GPa.
15. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das anteriores revindicações 1-14, em que a camada DLC apresenta uma rugosidade superficial média de Rz < cerca de 2 μΐη, de preferência Rz < cerca de 1 μΐη e uma altura do pico reduzida de RPK < cerca de 0,15 μπι, de preferência RPK < cerca de 0,1 μπι.
16. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-15 em que a camada adesiva apresenta uma espessura de até cerca de 0,05 μΐη até cerca de 1,0 μΐη.
17. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-16 em que a camada adesiva apresenta crómio ou titânio.
18. Elemento de deslizamento de acordo com qualquer uma das revindicações anteriores 1-17 em que o material de base do elemento de deslizamento é ferro fundido ou aço.