BR112015002898B1 - Elemento deslizante, particularmente anel de pistão, tendo revestimento resistente - Google Patents

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Abstract

elemento deslizante, particularmente anel de pistão, tendo revestimento resistente. o presente pedido refere-se a um elemento deslizante, particularmente um anel de pistão, que tem um revestimento (10) sobre um substrato (12), que forma pelo menos uma superfície de deslizamento do elemento deslizante. o revestimento (10) compreende, de dentro para fora, uma camada de nitreto ou carboneto (16), sobre ela uma camada de dlc contendo carboneto (17), (de preferência pvd), em seguida, uma camada de dlc pvd livre de metal (22) e em seguida, uma camada dlc pacvd livre de metal (18).

Description

CAMPO TÉCNICO
[0001] A invenção refere-se a um elemento deslizante, particularmente um anel de pistão com um revestimento sobre um substrato, formando pelo menos uma superfície de deslizamento.
[0002] Elementos deslizantes, tais como anéis de pistão, pistões ou camisas de cilindro em motores de combustão devem funcionar por um longo tempo de vida tendo ainda um mínimo atrito possível e baixo desgaste. A fim de reduzir o atrito, o qual está diretamente relacionado ao consumo de combustível do motor combustão, é conhecido basicamente fornecer os referidos elementos deslizantes com um revestimento redutor de atrito. Para esta finalidade, é usado um revestimento de DLC (carbono tipo diamante), por exemplo, o que é geralmente conhecido pelo perito na arte.
[0003] Para a aplicação de uma camada de DLC, estão disponíveis vários métodos. Um método muitas vezes utilizado ultimamente devido a possíveis altas taxas de deposição e custos relativamente baixos, é o método PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition), que é descrito, por exemplo, no documento DE 195 13 614 C1.
[0004] Outro método geralmente utilizado para revestir um substrato com um revestimento de DLC é o método PVD (Physical Vapor Deposition), que está descrito, por exemplo, no documento DE 102 03 730 B4.
[0005] Uma desvantagem da deposição de película de DLC, particularmente, no formado por processo PACVD, é que tensões mecânicas elevadas resultantes deste método causam propriedades de resistência da camada relativamente fracas, de modo que essas camadas não podem ser utilizadas assim, sem outras medidas, em elementos deslizantes.
[0006] A partir do documento DE 10 2009 028 504 B3 é conhecido um elemento deslizante, em que o revestimento de DLC de duas camadas inclui, nomeadamente uma camada de DLC contendo metal, e uma camada de DLC livre de metais. A camada de DLC contendo metal é, assim, aplicada por um processo PVD, a camada livre de metal por meio de um método PACVD, por meio de que podem resultar diferentes microestruturas nas camadas. A camada DLC-PACVD, ou seja, a camada de DLC livre de metal da arte anterior, tem as tensões mecânicas elevadas já descritas acima. Acredita-se na técnica anterior que essas altas tensões internas da camada DLC-PACVD podem ser compensadas pela camada intermediária PVD-DLC contendo metal.
[0007] Os inventores descobriram, no entanto, que o método descrito no documento DE 10 2009 028 504 B3 ainda não é ainda o ideal tendo em conta a resistência da camada durante toda a vida útil do motor. Concretamente, no elemento deslizante descrito na técnica anterior pode é possível esporadicamente ainda que, sob cargas pesadas, ocorra fragmentação de camada e os elementos deslizantes assim se deteriorarem em termos de suas propriedades de resistência ao desgaste e propriedades de atrito.
[0008] A partir do documento DE 100 18 143 B4 é conhecido um sistema de camadas DLC, que compreende, sobre um substrato, uma camada adesiva, uma camada de transição e uma camada de cobertura, em que a camada adesiva pode ser aplicada assistida por plasma, particularmente, por um método PVD ou um método de plasma CVD, e a camada cobertura de carbono semelhante ao diamante pode ser aplicada a partir de deposição por plasma CVD.
[0009] O documento JP 2004-10923 A refere-se a um elemento deslizante que possui um revestimento que compreende, do interior para o exterior, uma camada de cromo, uma camada de cromo-carbono, uma camada de DLC com dureza graduada e uma camada de DLC dura.
[0010] A partir do documento DE 2008 016 864 B3 é conhecido um anel de pistão que tem, de dentro para fora, uma camada adesiva, uma camada de carbono amorfo contendo um metal e uma camada de carbono amorfo livre de metal.
[0011] O documento DE 10 2009 046 281 B3 refere-se a um elemento deslizante, particularmente um anel de pistão, em que são fornecidas, de dentro para fora, uma camada de CrN, uma camada de Me (CxNy), e uma camada de DLC.
[0012] Finalmente, o documento US 2008/0220257 A1 descreve um substrato possuindo um revestimento que compreende, de dentro para fora, uma camada intermediária de carbono tendo um módulo de Young superior a 200 GPa e uma camada de carbono amorfo que tem um módulo de Young inferior a 200 GPa.
BREVE DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO
[0013] A partir da técnica anterior acima, o objetivo da presente invenção consiste em proporcionar um componente deslizante, o qual é ainda melhorado no que diz respeito à combinação de coeficiente de atrito e propriedades de desgaste. Particularmente, o objetivo é o de melhorar as propriedades de desgaste em relação a um possível estilhaçamento de partes do revestimento em motores sob esforços pesados.
[0014] Este objetivo é alcançado por um elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1. Outras características vantajosas da invenção emergem das reivindicações dependentes.
[0015] O elemento deslizante de acordo com a invenção, particularmente o anel de pistão compreende um revestimento sobre um substrato para formar pelo menos uma superfície de deslizamento. Neste caso, o revestimento compreende de dentro para fora uma camada de nitreto ou carboneto (de preferência PVD), sobre esta uma camada de DLC contendo carboneto (de preferência de PVD) e sobre essa uma camada PVD DLC livre de metal, e acima uma camada DLC- PACVD livre de metal.
[0016] Por meio da construção do revestimento de acordo com a invenção, é possível homogeneizar as transições entre as várias camadas individuais de PVD, produzindo, assim, particularmente uma boa adesão entre as camadas individuais. Em seguida, com base na afinidade entre camadas DLC-PVD livres de metal e camadas de DLC- PACVD, a adesão entre duas camadas de DLC livres de metal também pode ser melhorada. Por meio da graduação de parâmetros do processo, é possível também produzir uma transição graduada entre as respectivas camadas de revestimento. Esta transição realizada de modo suave entre as camadas individuais, e a afinidade entre a camada de PVD DLC e a camada de DLC-PACVD, impedem assim qualquer forma de estilhaçamento, mesmo sob cargas pesadas no motor.
[0017] O revestimento da invenção é aplicado pelo menos parcialmente em pelo menos uma superfície de deslizamento do elemento deslizante. No entanto, é também possível que o revestimento se estenda ao longo de toda a superfície de deslizamento e também seja formado total ou parcialmente em superfícies, que sejam adjacentes à superfície de deslizamento. Como exemplos de tais superfícies adjacentes podem ser indicados os flancos de um anel de pistão.
[0018] A camada de DLC-PVD pode ser aplicada, particularmente, por pulverização catódica ou processo de arco elétrico, ao substrato ou a uma camada de ligação previamente aplicada ao substrato. A camada de DLC-PACVD é de preferência produzida através da utilização de um plasma com uma frequência de gerador de plasma de pelo menos 1 kHz.
[0019] Em uma forma de realização preferida, entre o substrato e a camada de carboneto ou nitreto é aplicada uma camada de ligação, a qual preferivelmente consiste de titânio ou de cromo. Esta camada de ligação é por vezes referida como uma camada adesiva e melhora a aderência de todo o sistema de camadas sobre o substrato, particularmente das camadas de DLC. Como substrato pode ser utilizado como o material de base, de preferência ferro fundido ou aço. Estes materiais revelaram-se vantajosos particularmente em ligação com anéis de pistão.
[0020] Com vantagem, a camada de carboneto ou nitreto compreende carboneto de tungstênio, CRN, Cr2N, TiN ou CrTiN.
[0021] Sob a camada de DLC (preferencialmente PVD) contendo carboneto entende-se uma camada de DLC, à qual é adicionado um carboneto. O carbono amorfo contido na camada DLC com proporção significativa de ligações sp3 (a proporção significativa de ligações de carbono sp3 reticuladas sem ordem de longo alcance é de pelo menos 20%, de preferência pelo menos 50%) forma uma matriz para o material acrescentado. De preferência, a camada de DLC contendo carboneto apresenta adicionalmente tungstênio ou cromo. Particularmente preferivelmente a camada de DLC contendo carboneto contém, assim, carboneto de tungstênio, particularmente sob a forma de precipitações carboneto de tungstênio nanocristalinas. Esta característica também tem um efeito favorável sobre as propriedades de deslizamento do elemento deslizante.
[0022] De um modo vantajoso, sobre a camada de DLC-PACVD é formada uma camada de entrada, que é mais macia do que a camada de DLC-PACVD. Tal camada de entrada macia promove as propriedades do elemento deslizante durante a fase de entrada do elemento deslizante, por exemplo, em um motor novo ou em uma peça de reposição em um motor já emuso.
[0023] De preferência, a camada de DLC-PVD compreende várias subcamadas. Estas subcamadas podem ser interligadas, por exemplo, por transições graduadas que são obtidas por parâmetros de processo gradualmente alterados. Assim, é possível fazer otimamente a transição entre as propriedades adesivas entre a camada DLC-PVD e a camada de DLC contendo carboneto, por um lado e por outro lado entre a camada de DLC contendo carboneto e a camada (preferencialmente PVD) de nitreto ou carboneto, sem criar uma descontinuidade perceptível na camada, a qual é tipicamente acompanhada por uma reduzida aderência entre as camadas envolvidas.
[0024] Em uma forma de realização preferida, a camada de DLC-PACVD tem uma espessura que se situa entre 30% e 70%, de preferência entre 35% e 65% da uma espessura total do revestimento. Esta relação de espessura de camada preferida conduz a uma boa resistência do revestimento, sem incorporar desnecessariamente muito material adicional ao revestimento.
[0025] De um modo vantajoso, uma espessura total do revestimento tem de 2 a 50 μm. Esta espessura do revestimento fornece um particularmente bom equilíbrio entre o coeficiente de atrito e as características de desgaste do elemento deslizante, em especial no caso de um anel de pistão para um motor de combustão interna.
[0026] Além disso, é preferível que a camada de PVD DLC (18) tenha uma dureza de 700 HV 0,002 até 2800 HV 0,002 e, em alternativa ou adicionalmente, que a camada de DLC- PACVD tenha uma dureza de 1200 HV 0,002 a 3000 HV 0,002. As durezas descritas da camada de DLC-PVD e da camada de DLC- PACVD também são particularmente vantajosas em termos de combinação de coeficiente de atrito e de resistência ao desgaste.
[0027] Em uma forma de realização preferida, a camada de DLC-PVD tem um módulo de elasticidade de 150 GPa a 350 GPa e/ou a camada de DLC-PACVD tem um módulo de elasticidade de 160 GPa e 400 GPa.
[0028] Basicamente, é preferível que pelo menos a superfície deslizante de um elemento deslizante seja pelo menos parcialmente revestida pelo revestimento da invenção. Por razões econômicas, no entanto, pode também ser preferível aplicar o revestimento sobre a superfície de deslizamento e sobre a transição entre a superfície de deslizamento e os flancos de deslizamento ou em superfícies adjacentes à superfície de deslizamento.
[0029] Vantajosamente, a camada de DLC contendo carboneto e/ou camada de DLC-PVD e/ou a camada de DLC-PACVD contêm hidrogênio. Isto foi encontrado como benéfico em vista da resistência do revestimento.
[0030] Para a camada de ligação fornecida de preferência é particularmente preferido que esta tenha uma espessura de camada de no máximo de 1 μm, a fim de exercer o seu efeito com a menor aplicação possível ao substrato e, portanto, com o mínimo possível de material.
BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS
[0031] A Figura 1 mostra uma vista lateral esquemática de um elemento deslizante que possui um revestimento da técnica anterior.
[0032] A Figura 2 mostra uma vista lateral esquemática de um elemento deslizante de acordo com uma forma de realização preferida da presente invenção.DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[0033] A Figura 1 mostra uma estrutura da camada da técnica anterior. Um revestimento (10’) de um elemento deslizante sobre um substrato (12) inclui uma camada de ligação (14) composta de cromo aplicada ao substrato (12), a qual poderia, alternativamente, ser igualmente constituída de titânio. Sobre a camada de ligação (14) é aplicada uma camada de carboneto (16), que poderia, alternativamente, também ser concebida como uma camada de nitreto. Sobre a camada de carboneto (16) é aplicada uma camada de DLC (17) contendo carboneto. Na presente forma de realização a camada de DLC contendo carboneto compreende carboneto de tungstênio, carbono e hidrogênio.
[0034] Sobre a camada de DLC contendo carboneto (17) é ocasionalmente aplicada uma camada de DLC-PACVD (18), que tem uma particularmente boa combinação de propriedades de atrito e desgaste. Sobre a camada de DLC- PACVD (18) é aplicada opcionalmente uma camada (20) entrada, a qual é usada, por exemplo, quando o elemento deslizante deve ter propriedades especiais durante um período de entrada, particularmente uma dureza superficialmenor.
[0035] A Figura 2 mostra uma forma de realização preferida da presente invenção. Em comparação com o anteriormente descrito com referência ao revestimento (10’) da Figura 1, o revestimento (10) de acordo com a concretização mostrada na Figura 2 difere particularmente pelo fato de que entre a camada de DLC (17) contendo carboneto e a camada de DLC-PACVD livre de metal (18) é aplicada de uma camada de DLC-PVD (22) livre de metal. Esta camada de DLC-PVD (22) melhora a adesão entre a camada de DLC-PACVD livre de metal (18) e a camada de DLC (17) contendo carboneto de modo evidente por causa da sua afinidade. Assim, a resistência do revestimento (10), mesmo com cargas elevadas do motor pode ser substancialmente melhorada em relação à técnica anterior.
[0036] Na Figura 2, é referida ainda uma espessura(d) da camada de DLC-PACVD, a qual, relativamente a uma espessura da camada (D) total do revestimento está em uma proporção de 40% a 60%, de preferência entre 40% e 50%.

Claims (15)

1. Elemento deslizante, particularmente anel de pistão, caracterizado por compreender um revestimento (10) sobre um substrato (12) formando pelo menos uma superfície de rolamento do elemento deslizante, em que o revestimento (10) compreende, de dentro para fora- uma camada de carboneto ou nitreto (16),- sobre esta, uma camada de DLC contendo carboneto (17),- sobre esta, uma camada de DLC-PVD livre de metal (22) e- sobre esta última, uma camada de DLC-PACVD livre de metal (18).
2. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que entre o substrato (12) e a camada de carboneto ou nitreto (16) é aplicada uma camada de ligação (14).
3. Elemento deslizante, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a camada de ligação (14) é composta de cromo ou titânio.
4. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada de DLC contendo carboneto, e/ou a camada de DLC-PVD e/ou a camada de DLC-PACVD contém hidrogênio.
5. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada de nitreto ou carboneto (16) contém carboneto de tungstênio ou CrN ou Cr2N ou TiN ou CrTiN.
6. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada de DLC contendo carboneto compreende tungstênio ou cromo.
7. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que sobre a camada de DLC-PACVD (18) é formada uma camada de entrada (20), que é mais macia do que a camada de DLC-PACVD (18).
8. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada de DLC-PVD (22) compreende uma pluralidade de subcamadas.
9. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada de DLC-PACVD (18) tem uma espessura (d), que está entre 30% e 70%, de preferência entre 35% e 65% de uma espessura total (D) do revestimento (10).
10. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma espessura total (D) do revestimento (10) é 2 μm a 50 μm.
11. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada de DLC-PVD (18) tem uma dureza de 700 HV 0,002 a 2800 HV 0,002.
12. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada de DLC-PACVD (18) tem uma dureza de 1200 HV 0,002 a 3000 HV 0,002.
13. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada de DLC-PVD (18) tem um módulo de elasticidade compreendido entre 150 GPa e 350 GPa.
14. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada DLC-PACVD (18) tem um módulo de elasticidade compreendido entre 160 GPa e 400 GPa.
15. Elemento deslizante, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que a camada de DLC-PVD (22) é aplicada por pulverização catódica reativa ou método de arco elétrico e a camada de DLC-PACVD (18) por meio de plasma com uma frequência de gerador de pelo menos 1 kHz.
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