BR102016015392A2

BR102016015392A2 - Sliding element for internal combustion engines

Info

Publication number: BR102016015392A2
Application number: BR102016015392-1A
Authority: BR
Inventors: José Da Rocha Mordente Paulo; Avelar Araujo Juliano
Original assignee: Mahle Metal Leve S.A.
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-16
Also published as: CN109477575B; CN109477575A; US11143302B2; DE112017003285T5; WO2018002072A1; US20190154153A1

Abstract

a presente invenção refere-se a um elemento deslizante para motores de combustão interna dotado de um revestimento de carbono amorfo duro compreendendo nanopartículas de um lubrificante sólido capaz de promover uma redução no atrito, e, consequentemente, reduzir o desgaste na face de deslizamento do anel, bem como diminuir as tensões internas geradas na aplicação do revestimento de carbono amorfo duro, além de garantir elevada dureza.

Description

(54) Título: ELEMENTO DESLIZANTE PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA (51) Int. Cl.: F02F 5/00 (73) Titular(es): MAHLE METAL LEVE S.A., MAHLE INTERNATIONAL GMBH (72) Inventor(es): PAULO JOSÉ DA ROCHA MORDENTE; JULIANO AVELAR ARAÚJO (74) Procurador(es): DANNEMANN, SIEMSEN, BIGLER & IPANEMA MOREIRA (57) Resumo: A presente invenção refere-se a um elemento deslizante para motores de combustão interna dotado de um revestimento de carbono amorfo duro compreendendo nanopartículas de um lubrificante sólido capaz de promover uma redução no atrito, e, consequentemente, reduzir o desgaste na face de deslizamento do anel, bem como diminuir as tensões internas geradas na aplicação do revestimento de carbono amorfo duro, além de garantir elevada dureza.

1/17

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ELEMENTO DESLIZANTE PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA.

[001] A presente invenção refere-se a um elemento deslizante, tal como um anel de pistão para motores de combustão interna, dotado de um revestimento de carbono amorfo duro compreendendo nanopartículas de um lubrificante sólido capaz de promover uma redução no atrito e desgaste, bem como diminuir as tensões internas geradas na aplicação do revestimento de carbono amorfo duro, além de garantir elevada dureza.

DESCRIÇÃO DO ESTADO DA TÉCNICA [002] Motores de combustão interna sejam eles ciclo Diesel, ciclo Otto, dois ou três tempos, compreendem ao menos um anel de pistão. O anel de pistão atua na vedação do espaço entre a camisa de cilindro e o êmbolo do pistão, isolando a câmara de combustão dos demais componentes internos dos motores. O anel de pistão é disposto radialmente na base do êmbolo do pistão, impedindo que os gases da combustão escapem da câmara de combustão em direção ao cárter e evitando que o óleo do motor penetre na câmara de combustão.

[003] Usualmente, os motores são dotados de três anéis paralelamente alocados em canaletas dispostas na base do êmbolo, sendo dois anéis de compressão e um anel de raspagem de óleo. Os anéis de compressão ficam mais próximos da cabeça do pistão e vedam a folga existente entre pistão e camisa, fazendo com que o pistão possa comprimir a mistura ar-combustível para a queima e posteriormente manter a estanqueidade do cilindro. Já os anéis de raspagem de óleo têm a função óbvia de raspar o excesso de óleo lubrificante jogado sob pressão na parede das camisas.

[004] Alguns motores de combustão interna, principalmente motores que operam com ciclo Diesel, trabalham com cargas elevadas.

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 6/36

2/17

Outros exemplos podem ser encontrados em motores à gasolina de elevado desempenho. Independentemente dos exemplos que possam ser citados, há uma tendência para que os motores operem em alta velocidade com potência elevada, folgas reduzidas e, portanto, sujeitos a um comportamento tribológico severo. Tais condições são naturalmente mais exigentes com seus componentes mecânicos. Nesse sentido, os anéis utilizados nesses motores de alta potência ou rendimento necessitam de baixo atrito, alta dureza e elevada resistência ao desgaste.

[005] Por outro lado, é importante realçar que o impacto ambiental dos motores de combustão interna, quando aliados à necessidade de elevado desempenho e durabilidade, resultam, de um modo geral, na necessidade de se trabalhar com tolerâncias mais apertadas, o que naturalmente se traduz na utilização de camadas de óleos lubrificantes cada vez mais finas.

[006] As camadas de óleos lubrificantes além de mais finas, também são obtidas por meio de óleos de baixa viscosidade, que garantem menor atrito entre os componentes deslizantes. No entanto, quanto menor o filme de óleo e menor sua viscosidade, maior a probabilidade de contato entre os componentes deslizantes, fazendo com que seja necessário melhorar a resistência ao desgaste desses componentes para que não ocorra o engripamento do conjunto deslizante.

[007] O engripamento do conjunto anel de pistão e camisa de cilindro é resultado de um aumento de pressão entre esses componentes deslizantes, a ponto dos componentes entrarem em contato, levando a microfusões dos materiais. O material fundido será transferido para a superfície de contato, gerando um posterior acúmulo de material que irá, eventualmente, levar ao engripamento do conjunto. Assim, conforme se verá adiante, a presente invenção desenvolve-se especificamente oferecendo uma solução cujo excelente desempenho decorPetição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 7/36

3/17 re da utilização de óleos predominantemente menos viscosos.

[008] Via de regra, a aplicação de camadas de revestimento em anéis para motores que trabalham com cargas elevadas se dá por processos de deposição de vapor, especialmente processo de deposição física de vapor PVD {Physical Vapor Deposition) e processo de deposição química de vapor assistido por plasma PACVD {Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition) Motores diesel de cargas elevadas foram os primeiros a utilizarem revestimento de nitreto de cromo (CrN) aplicado por deposição de arco catódico (Arc-PVD). Nos últimos anos, os revestimentos aplicados por PVD passaram a ser utilizados também em anéis de pistão para motores de carga leve, tanto à gasolina quanto diesel, devido à excelente resistência ao desgaste e ao engripamento, com durabilidade garantida.

[009] Os anéis de pistão apresentados no estado da técnica geralmente compreendem revestimentos de carbono amorfo duro, também conhecidos como DLC {Diamond Like Carbon) ou nanoestrutura hidrogenada de DLC livre de hidrogênio, como solução para alcançar um baixo atrito e elevada resistência ao desgaste. Via de regra, as soluções do estado da técnica aplicam o revestimento de DLC em uma composição que integra ligações sp3 (tipo diamante) e sp2 (tipo grafite). Cumpre, no entanto, notar que, em virtude da estrutura 3D (tridimensional) das ligações sp3, a sua dureza é superior àquela encontrada nas ligações sp2.

[0010] Para melhor entendimento, as estruturas sp2, por conferir características de um material extremamente macio e lubrificante, são importantes para facilitar a acomodação do anel na camisa de cilindro e contrabalançar com as estruturas sp3 em contato com a camisa do cilindro. Tal preocupação é extremamente válida, haja vista que além de a estrutura sp3 poder riscar a camisa de cilindro, a concentração de tensões presentes nas estruturas sp3 é muito elevada, de tal modo

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 8/36

4/17 que pode gerar consequências desastrosas tanto para a camisa de cilindro, riscando-a, como para o revestimento, podendo ocorrer trincas e sua propagação, o que, consequentemente, leva à diminuição da vida útil dos componentes. Por tal motivo, diversas soluções do estado da técnica passam por utilizar revestimentos DLC com predominância de ligações sp2, a fim de reduzir o atrito e tensões internas. [0011] O documento US2015362071 descreve um elemento deslizante, particularmente um anel de pistão, dotado de um revestimento de DLC, no qual são depositadas, sequencialmente, uma primeira camada de DLC duro, uma segunda camada de DLC macio e uma terceira camada de DLC duro. Note-se que as elevadas tensões internas inerentes à deposição de um revestimento DLC resultam na necessidade de se encontrar soluções como as deste documento. No entanto, mesmo reduzindo a tensão residual, esta solução não resolve totalmente o problema, haja vista que a interface de contato do anel com a camisa continua ocorrendo por meio de um perfil que não garante, por exemplo, que a camisa de cilindro não sofra o típico desgaste das soluções do estado da técnica.

[0012] Em outro exemplo, o documento de patente US9086148 revela um elemento deslizante, particularmente um anel de pistão, dotado de um revestimento de DLC do tipo ta-C com espessura superior a 10 micrômetros, sendo que o revestimento contém uma camada de acabamento com espessura de 1 a 3 micrômetros onde a quantidade de sp3 vai diminuindo para valores inferiores a 40%, com vista a garantir que uma maior quantidade de sp2 esteja presente nesta segunda camada para acomodação do anel no cilindro.

[0013] Independentemente dos esforços revelados pelos documentos de técnica anterior, não foi ainda encontrada uma solução que gere excelentes resultados no produto acabado, isto é, um anel de pistão que promova uma redução no atrito com consequente redução no

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 9/36

5/17 desgaste, diminuindo tensões internas, porém garantindo elevada dureza e durabilidade do anel.

[0014] Faz-se assim necessário encontrar um elemento deslizante, tal como um anel de pistão, que seja dotado de um revestimento de carbono amorfo duro compreendendo um lubrificante incorporado no revestimento, de modo a promover uma redução do atrito, bem como diminuir o desgaste, garantindo elevada dureza.

OBJETIVOS DA INVENÇÃO [0015] Um primeiro objetivo da presente invenção está em prover um elemento deslizante, tal como um anel de pistão para motores de combustão interna, particularmente motores que operam com elevada carga e/ou potência, o anel sendo dotado de um revestimento de carbono amorfo duro compreendendo nanopartículas de um lubrificante sólido incorporado na matriz do revestimento capaz de promover uma redução no atrito com consequente redução no desgaste tanto do anel de pistão quanto da camisa de cilindro.

[0016] É, também, um objetivo da presente invenção prover um anel de pistão dotado de um revestimento que seja capaz de trabalhar com folgas muito justas e um filme de óleo mínimo.

[0017] É, por fim, um objetivo da presente invenção prover um anel de pistão dotado de um revestimento capaz de garantir elevada dureza, na faixa de 20 GPa a 50 GPa, com tensões internas reduzidas e alta durabilidade do anel.

BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [0018] Os objetivos da presente invenção são alcançados por um elemento deslizante para motores de combustão interna compreendendo um material base dotado de uma superfície externa anelar sobre a qual são depositadas, sequencialmente, uma camada de ligação e uma camada de deslizamento composta por carbono amorfo duro (DLC) de uma matriz combinada com ligações sp3/sp2, a camada de

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 10/36

6/17 deslizamento compreendendo nanopartículas de grafite incorporadas na matriz combinada de sp3/sp2.

[0019] Os objetivos da presente invenção são, também, alcançados por um método para revestimento de um elemento deslizante para motores de combustão interna, que faz uso de um processo de deposição física de vapor (PVD) por arco catódico realizado em uma condição de pressão entre 0,01 mbar e 0,2 mbar, com corrente de cátodo entre 40 A e 100 A, um fluxo de gás de argônio entre 50 sccm e 200 sccm, com uma tensão de polarização entre 30V e 45V e com temperatura variável entre 150Ό e 240Ό.

[0020] Os objetivos da presente invenção são, ainda, alcançados por um motor de combustão interna compreendendo ao menos um elemento deslizante.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS [0021] A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mostram:

[0022] Figura 1 - representação da disposição de um anel de pistão no interior de um cilindro de um motor de combustão interna;

[0023] Figura 2 - corte transversal do anel de pistão revelando a estrutura do revestimento da presente invenção;

[0024] Figura 2a - corte transversal do anel de pistão revelando a estrutura do revestimento da presente invenção;

[0025] Figura 3 - representação gráfica do comportamento tribológico do revestimento da presente invenção;

[0026] Figura 4 - representação gráfica da dureza do revestimento da presente invenção e da porcentagem de ligações sp3 em função da temperatura do processo PVD;

[0027] Figura 5 - mapas obtidos por EELS revelando a distribuição de ligações sp3 e sp2 na estrutura do revestimento da presente invenPetição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 11/36

UM ção; e [0028] Figura 6 - representação gráfica do perfil de distribuição de ligações sp3 e sp2 na estrutura do revestimento da presente invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DOS DESENHOS [0029] A presente invenção refere-se a um elemento deslizante, tal como um anel de pistão para motores de combustão interna, dotado de um revestimento de carbono amorfo duro compreendendo nanopartículas de um lubrificante sólido capaz de promover uma redução no atrito, e, consequentemente, reduzir o desgaste na face de deslizamento do anel, bem como diminuir as tensões internas geradas na aplicação do revestimento de carbono amorfo duro, além de garantir elevada dureza.

[0030] Em uma configuração preferencial alternativa, o elemento deslizante da presente invenção pode ser um componente de motor que mantenha contato com uma camada fina de fluido lubrificante, sofrendo desgaste, tal como por exemplo, uma camisa de cilindro, um anel de pistão de raspagem de óleo, um anel de pistão de primeira canaleta, entre outros.

[0031] Inicialmente, cumpre notar que o elemento deslizante da presente invenção é preferencialmente um anel de pistão 10 para motores de combustão interna que operem com elevada carga e/ou potência, tal como ilustrado na figura 1. Usualmente esses anéis de pistão trabalham com folgas muito justas e um filme de óleo fino para garantirem excelente rendimento e baixas emissões de CO2.

[0032] O anel de pistão 10 da presente invenção compreende um material base 12 dotado de uma superfície externa 11 anelar, sendo composto, preferencialmente, por aço inoxidável com 10% a 17% de cromo, o restante sendo ferro fundido e aço carbono. A superfície externa 11 anelar corresponde à porção do anel paralela à camisa do cilindro 20, por outras palavras, é a superfície que atua como interface

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 12/36

8/17 entre o anel e uma camisa de cilindro 20, sendo que é sobre a superfície externa 11 que o revestimento é depositado.

[0033] Em uma configuração preferencial, ilustrada na figura 2, a superfície externa 11 recebe, sequencialmente, uma camada de ligação 13 e, sobre a camada de ligação 13, uma camada de deslizamento 14 composta por carbono amorfo duro.

[0034] A camada de ligação 13 tem como objetivo promover a acomodação das tensões entre a estrutura metálica do anel e a camada de deslizamento 14 de carbono amorfo, garantindo assim uma excelente adesão entre a camada de deslizamento 14 funcional e o material base 12. De modo preferencial, mas não obrigatório, a camada de ligação 13 é formada por uma estrutura colunar policristalina cúbica de corpo centrado (bcc) de cromo metálico (Cr) cuja espessura varia entre 0,01 micrometro e 2,0 micrometros, preferencial mente 0,01 micrometro e 0,5 micrometro. Em uma configuração preferencial alternativa, a camada de ligação 13 é composta por um entre os materiais como níquel (Ni), cobalto (Co), tungstênio (W), carboneto de cromo (Cr-C) ou por um material cerâmico.

[0035] Por sua vez, a camada de deslizamento 14 atua como uma camada antiatrito e é formada por carbono amorfo duro (DLC), sendo o carbono totalmente amorfo livre, ou substancialmente livre, de hidrogênio, compreendendo menos de 2% em peso de hidrogênio.

[0036] Em uma configuração preferencial alternativa, ilustrada na figura 2a, a superfície externa 11 do anel 10 recebe, sequencialmente, uma camada de ligação 13, uma camada intermediária 13a e uma camada de deslizamento 14. A camada intermediária 13a é composta por um material cerâmico, tal como nitreto de cromo (CrN), ou nitreto de titânio (TiN), ou multicamadas de nitreto cromo-alumínio e nitreto de cromo (CrAIN/CrN). A camada intermediária 13a compreende uma espessura que varia entre 5 micrometros e 50 micrometros e é depositaPetição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 13/36

9/17 da por um processo de deposição física de vapor (PVD).

[0037] De modo distinto das soluções encontradas no estado da técnica, a presente invenção apresenta uma camada de deslizamento 14 de carbono amorfo duro compreendendo uma matriz que combina ligações tipo sp3 (diamante) e tipo sp2 (grafite), na qual estão incorporadas ilhas, ou nanopartículas, de grafite, revelando uma nanoestrutura dotada de ilhas de lubrificante sólido incrustradas numa matriz sp3/sp2.

[0038] Deste modo, a presente invenção tem por objeto um anel de pistão 10 dotado de um revestimento compreendendo uma dureza variando entre 20 GPa e 50 GPa, mas que evita um elevado desgaste da camisa de cilindro 20, cuja dureza é consideravelmente menor, devido à redução do atrito e do desgaste dos componentes deslizantes por meio da disponibilização de um fluxo de lubrificante sólido na camada de deslizamento 14.

[0039] Para alcançar os objetivos da presente invenção, a camada de deslizamento 14 do anel de pistão 10 compreende ilhas, ou nanopartículas de grafite, integradas na matriz sp3/sp2 capazes de acomodar e reduzir tensões internas da matriz, resultando em uma camada de deslizamento 14 de elevada resistência ao desgaste, devido à redução do atrito, e elevada dureza com tensões internas reduzidas, evitando o desplacamento do revestimento, além de disponibilizar um fluxo de lubrificante em um filme de óleo reduzido, diminuindo consideravelmente as chances de engripamento do conjunto anel de pistão/camisa de cilindro.

[0040] Importante observar que ao descrever de nanopartículas, considera-se partículas na ordem de nanômetros, sendo consideradas nanopartículas qualquer partícula com tamanho menor do que 1000 nanômetros. Portanto, a presente invenção revela ilhas, ou nanopartículas, de grafite incorporadas em uma matriz sp3/sp2 de um revestiPetição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 14/36

10/17 mento DLC, o tamanho das nanopartículas de grafite variando entre 1 nanômetro e 1000 nanômetros, preferencialmente entre 5 nanômetros e 500 nanômetros.

[0041] Devido à possibilidade de acomodação de tensões internas da matriz sp3/sp2 de alta dureza, a camada de deslizamento 14 de DLC da presente invenção compreende uma espessura que varia entre 1 micrometro e 50 micrometros. Em uma configuração preferencial, a espessura da camada de deslizamento varia entre 3 micrometros e 35 micrometros.

[0042] As novas tecnologias de revestimento de anéis de pistão compreendem a combinação dos conceitos de deposição por um processo de deposição física de vapor em base de nitreto de cromo (CrNbased PVD) com o revestimento sendo composto por carbono amorfo duro DLC livre de hidrogênio, onde a espessura do revestimento varia entre 1 e 50 micrometros, conforme aplicação em motores leves ou pesados. Esses conceitos combinam vantagens do PVD cerâmico e revestimento DLC sendo capaz de atender a demanda por baixo atrito e alta resistência ao engripamento, dentro de uma solução de baixo custo utilizando um processo de revestimento robusto. Essa combinação permite também a obtenção de uma elevada espessura de revestimento, com tensões internas reduzidas, garantindo alta durabilidade do anel, com acabamento apropriado. O revestimento DLC é baseado em carbono amorfo duro livre de hidrogênio e de alta resistência ao desgaste, o que previne o revestimento de sofrer incompatibilidades com aditivos de óleo.

[0043] A presente invenção se baseia em descobertas recentes sobre a morfologia e a microestrutura do revestimento DLC, assim como, os novos processos de deposição, que asseguram uma melhor aderência utilizando processos de arco catódico e uma camada de ligação 13, ou camada de aderência, com uma nanoestrutura específiPetição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 15/36

11/17 ca. Além disso, o processo de controle otimizado de temperatura diminui a energia de ativação necessária para transformar diamante em grafite, e aumenta a cinética da reação. Esses controles de temperatura têm impacto no controle de tensões internas e obtêm melhores ligações de carbono, tal como pode ser observado na figura 3.

[0044] A figura 3 apresenta um gráfico que descreve o comportamento tribológico do revestimento de carbono amorfo duro livre de hidrogênio da presente invenção, com três regiões diferentes.

[0045] Na região 1, tem-se uma camada de deslizamento 14 obtida por um processo PVD realizado em temperaturas acima de 240Ό, obtendo grandes quantidades de nanopartículas de grafite incorporadas na matriz sp3/sp2. Assim, o revestimento obtido na região 1 apresenta características de um material macio com redução de atrito, porém que sofre elevado desgaste no contato entre a superfície externa 11 anelar do material base 12 do anel de pistão 10 e a camisa de cilindro 20. Nesse sentido, o revestimento apresenta reduzida resistência ao desgaste para temperaturas acima de 240Ό.

[0046] Em contrapartida, na região 3 do gráfico tem-se uma camada de deslizamento 14 DLC obtida por um processo PVD realizado em temperaturas abaixo de 150Ό, obtendo pequenas quantidades de nanopartículas de grafite incorporadas na matriz sp3/sp2. Portanto, o revestimento obtido na região 3 apresenta elevada dureza, porém com elevadas tensões internas que, eventualmente, causam a fragmentação ou desplacamento do revestimento.

[0047] Na região 2, tem-se a camada de deslizamento 14 obtida por um processo PVD realizado com temperaturas variando entre 150Ό e 240Ό, capaz de promover o surgimento de na nopartículas de grafite incorporadas em uma matriz combinando ligações sp3/sp2. O revestimento obtido na região 2 é capaz de promover uma redução no atrito, com consequente redução no desgaste do anel de pistão 10 em

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 16/36

12/17 contato com uma camisa de cilindro 20, além de garantir elevada dureza, com tensões internas reduzidas para alta durabilidade do anel. [0048] A transição entre as regiões funcionais da camada de deslizamento 14 é guiada, principalmente, pela temperatura na superfície do substrato em que o revestimento é sintetizado. Revestimentos de carbono amorfo duro livres de hidrogênio são, tipicamente, produzidos por evaporação de grafite por um processo de deposição física de vapor por arco catódico. A temperatura do substrato é guiada, via de regra, pela energia elétrica aplicada para evaporação de grafite. Em outras palavras, quanto maior é a potência aplicada, maior é a evaporação e maior a temperatura do substrato.

[0049] Outro fenômeno importante que também depende da energia elétrica aplicada no processo é a geração de partículas sobre o revestimento DLC. Devido à reação energética, certa quantidade de material não evaporado é ejetada do alvo e incorporada na matriz sp3/sp2 da camada de deslizamento 14 em uma estrutura de grafite, originando ilhas de grafite (sp2). Essas ilhas de grafite podem ser entendidas como nanopartículas de grafite com uma estrutura de ligação sp2 diferente da estrutura da matriz. É fundamental enfatizar que quanto maior for a evaporação da superfície do alvo maior será a quantidade de material fundido ejetado da superfície do alvo, aumentando assim a geração de ilhas de grafite sp2 na camada de deslizamento 14.

[0050] Cumpre notar que, um revestimento DLC com predominância de ligações sp3 é interessante devido à elevada dureza que o revestimento pode atingir, alcançando valores superiores a 40 GPa. Por outro lado, revestimentos de alta dureza representam menores desgastes na face revestida, aumentando significativamente o desgaste combinado entre o anel de pistão 10 e a camisa de cilindro 20, devido a condições de trabalho mais agressivas para as camisas de cilindro

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 17/36

13/17

20. Outra desvantagem de revestimentos extremamente duros está na espessura do revestimento que deve ser limitada a poucos micrometros, diminuindo consideravelmente a durabilidade da face revestida. Quanto maior é a espessura do revestimento duro, maiores são as tensões internas do material, gerando o desplacamento (spalling) do revestimento durante a operação do motor. Desplacamento pode ser entendido como um processo no qual fragmentos do revestimento descolam do material base 12 do anel devido a impactos ou pressões de trabalho.

[0051] Diferentemente, revestimentos com ligações sp2 são muito macios e excelentes lubrificantes sólidos. Sendo assim, o correto equilíbrio entre dureza, promovida pelas ligações sp3, e lubrificação, promovida pelas ligações sp2 e pelas nanopartículas de grafite incorporadas na matriz sp3/sp2, é capaz de alcançar um desempenho tribológico ideal, principal mente para anéis de pistão que trabalham em condições operacionais críticas com elevado desgaste, que necessitam de excelente dureza e lubrificação.

[0052] Nesse estado crítico, o revestimento deve proporcionar boa resistência mecânica, característica essa que não consegue ser alcançada quando existe um elevado conteúdo de grafite na estrutura do revestimento. Essa condição é capaz de explicar o comportamento do revestimento na região 1, do gráfico da figura 3, quando a temperatura do substrato aumenta, gerando grandes quantidades de ilhas, ou nanopartículas, de grafite.

[0053] Preferencialmente, o revestimento da presente invenção é depositado na superfície externa 11 do anel por um processo de deposição física de vapor por arco catódico que ocorre em uma condição de pressão entre 0,01 mbar e 0,2 mbar, preferencialmente de 0,0022 mbar, com corrente de cátodo entre 40 A e 100 A, preferencialmente de 80 A, um fluxo de gás de argônio entre 50 sccm e 200 sccm, prefePetição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 18/36

14/17 rencialmente de 100 sccm e em uma tensão de polarização entre 30 V e 45V, preferencialmente de 40 V,com uma temperatura de deposição variável durante o processo compreendendo temperaturas entre 150Ό e 240Ό.

[0054] A temperatura do processo é controlada pelo tempo que a corrente do cátodo permanece ligada. O parâmetro duty cycle, ou ciclo de trabalho, representa a porcentagem de tempo que a corrente permanece ligada. Quanto maior a temperatura média desejada, maior o duty cycle. Assim, será visto na tabela 1, a seguir, as temperaturas alcançadas no processo de acordo com o duty cycle\

TABELA 1

Temperatura («€)	Duty Cycle (%)	Tempo ligado (min)	Tempo desligado (min)
160	18	4	18
180	21	4	15
200	26	5	14
210	31	5	11
220	34	5	10
240	42	6	8

[0055] A figura 4 ilustra dois gráficos que representam as tendências de dureza obtida e porcentagem de ligações sp3 para o revestimento da presente invenção em função da temperatura do processo PVD utilizado.

[0056] Portanto, observando a figura 4, nota-se que para uma temperatura de processo de 150Ό, obtém-se um revestimento com microdureza efetiva de pelo menos 50 GPa (dureza HIT) com uma porcentagem de ligações sp3 variando entre 60% e 70%. Para uma temperatura de 200Ό, obtém-se um revestimento com dureza variando entre 30 GPa e 35 GPa com uma porcentagem de ligações sp3 variando entre 40% e 50%. Já para uma temperatura de 240Ό, obtémPetição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 19/36

15/17 se um revestimento mais macio, com dureza inferior a 30 GPa e porcentagem de ligações sp3 variando entre 20% e 30%, com formação predominante de ligações sp2 (grafite), altamente lubrificante, porém de baixíssima dureza.

[0057] Ainda que a camada de deslizamento 14, descrita na presente invenção, seja formada apenas a partir de carbono, a nova tecnologia de revestimento proposta é diferente de qualquer outra encontrada no estado da técnica, uma vez que revela uma camada de deslizamento 14 de carbono amorfo duro compreendendo ilhas, ou nanopartículas, de grafite incorporadas em uma matriz sp3/sp2, capaz de proporcionar elevada dureza com redução de atrito, sob condições de trabalho severas.

[0058] As imagens ilustradas na figura 5 são capazes de comprovar a existência de ilhas de grafite incrustradas ou incorporadas em uma matriz combinando ligações sp3/sp2 na camada de deslizamento 14 da presente invenção. Nesse sentido, a figura 5 ilustra mapas que revelam a distribuição de ligações sp3 e sp2 na camada de deslizamento 14, obtidos por espectroscopia de perda de energia de elétrons EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy) em modo STEM. Nessa figura são ilustrados quatro mapas, da seguinte forma:

[0059] o primeiro mapa, representado no canto superior esquerdo, apresenta uma fotografia do revestimento em uma resolução de 0,5 micrometro, onde é possível observar as ilhas de grafite incorporadas na matriz sp3/sp2. Uma ilha de grafite, particularmente maior do que as demais ilhas, foi selecionada para que fosse determinado um perfil da distribuição de ligações sp3 e sp2 que compõem a camada de deslizamento 14.

[0060] ii. o segundo mapa, representado no canto superior direito, apresenta uma fotografia do revestimento em uma resolução de 50 nanômetros, detalhando o perfil determinado para estudo das ligações

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 20/36

16/17 sp3/sp2.

[0061] iii. o terceiro mapa, representado no canto inferior esquerdo, apresenta uma fotografia do revestimento em uma resolução de 50 nanômetros, onde as ligações sp2 estão em destaque. Nesse mapa, é possível observar todas as ligações sp2 (grafite) em azul.

[0062] iv. o quarto mapa, representado no canto inferior direito, apresenta uma fotografia do revestimento em uma resolução de 50 nanômetros, onde as ligações sp3 estão em destaque. Nesse mapa, é possível observar todas as ligações sp3 (diamante) em verde.

[0063] O perfil determinado, representado nos primeiro e segundo mapas, cruza uma ilha de grafite. A porcentagem dos tipos de ligações (sp3 e sp2) encontradas ao longo de uma linha de análise do EELS na direção de crescimento do revestimento está representada graficamente na figura 6. Assim, ao observar as figuras 5 e 6 em conjunto, será visto que a linha de perfil cruza uma grande porção verde, com predominância de ligações sp3, variando entre 55% e 65% de ligações sp3 (diamante), e variando entre 35% e 45% de ligações sp2. Ao cruzar a porção azul, o perfil de material do revestimento muda drasticamente, apresentando predominância de ligações sp2, variando entre 65% e 70% de ligações sp2 (grafite), e variando entre 30% e 35% de ligações sp3. Em seguida, o perfil cruza novamente uma porção verde, onde tem-se nova predominânia de ligações sp3 (diamante).

[0064] Assim, por meio das figuras 5 e 6, é possível observar claramente a presença de ilhas de grafite (sp2) incorporadas em uma matriz sp3/sp2, rica em sp3. Cumpre notar, que as ilhas de grafite incorporadas na matriz sp3/sp2 da camada de deslizamento 14 compreendem tamanhos na ordem de nanômetros e, por essa razão, são chamadas nanopartículas de grafite.

[0065] O revestimento do anel de pistão 10 da presente invenção atua de modo que, no desgaste da camada de deslizamento 14, as

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 21/36

17/17 nanopartículas de grafite ficam expostas, disponibilizando lubrificante sólido para o deslizamento entre o anel e a camisa de cilindro 20. Dessa forma, a camada de deslizamento 14 não desgasta imediatamente, uma vez que a matriz sp3/sp2 compreende alta dureza com partículas nanométricas de grafite lubrificante, que além de promover uma redução no atrito, reduzem as tensões internas da matriz dura sp3/sp2.

[0066] Em suma, o anel de pistão 10 da presente invenção é capaz de conciliar um revestimento de carbono amorfo duro substancialmente livre de hidrogênio compreendendo uma matriz de elevada dureza com nanopartículas de lubrificante sólido capazes de acomodar e reduzir tensões internas da matriz de alta dureza, evitando o desplacamento do revestimento, além de disponibilizar um fluxo de lubrificante capaz de promover uma redução no atrito e, consequentemente, um aumento na resistência ao desgaste do anel, evitando o engripamento dos componentes deslizantes e garantindo excelente durabilidade. [0067] Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 22/36

1/2

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Elemento deslizante para motores de combustão interna compreendendo um material base (12) dotado de uma superfície externa (11) anelar sobre a qual são depositadas, sequencialmente, uma camada de ligação (13) e uma camada de deslizamento (14) composta por carbono amorfo duro (DLC) de uma matriz combinada com ligações sp3/sp2, o elemento deslizante sendo caracterizado pelo fato de que a camada de deslizamento (14) compreende nanopartículas de grafite incorporadas na matriz combinada de sp3/sp2.
2. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tamanho das nanopartículas de grafite varia entre 1 nanômetro e 1000 nanômetros.
3. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o tamanho das nanopartículas de grafite varia entre 5 nanômetros e 500 nanômetros.
4. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de ligação (13) é composta por um dos materiais entre cromo metálico (Cr) com estrutura cúbica de corpo centrado (bcc), ou níquel (Ni), ou cobalto (Co), ou tungstênio (W), ou carboneto de cromo (Cr-C).
5. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que entre a camada de ligação (13) e a camada de deslizamento (14) é depositada uma camada intermediária (13a) composta por um material cerâmico.
6. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada intermediária (13a) compreende uma espessura que varia entre 5 micrometros e 50 micrometros.
7. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de ligação (13) é depositada por um processo de deposição física de vapor (PVD).

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 23/36

2/2
8. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada intermediária (13a) é depositada por um processo de deposição física de vapor (PVD).
9. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de deslizamento (14) é composta por menos de 2% em peso de hidrogênio.
10. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de deslizamento (14) compreende uma espessura que varia entre 1 micrometro e 50 micrômetros.
11. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de deslizamento (14) compreende uma espessura que varia entre 3 micrômetros e 35 micrômetros.
12. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de deslizamento (14) apresenta uma dureza que varia entre 15 GPa e 50 GPa.
13. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material base (12) é composto por aço inoxidável com 10% a 17% de cromo, ferro fundido e aço carbono.
14. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que é um anel de pistão (10).
15. Método para revestimento de um elemento deslizante para motores de combustão interna, que faz uso de um processo de deposição física de vapor (PVD) por arco catódico caracterizado pelo fato de que é realizado em uma condição de pressão de 0,001 mbar a 0,2 mbar, com corrente de cátodo de 40 a 100 A, um fluxo de gás de argônio de 50 a 200 sccm, com uma tensão de polarização de 30 a 45 V e com temperatura variável entre 150Ό e 240X1
16. Motor de combustão interna caracterizado pelo fato de que compreende ao menos um elemento deslizante, tal como definido na reivindicação 1.

Petição 870160032620, de 30/06/2016, pág. 24/36

1 /3