PT1966524E

PT1966524E - Elemento deslizante, em particular anel de segmento, processo para a produção de um elemento deslizante, sistema de deslizamento e revestimento para um elemento deslizante

Info

Publication number: PT1966524E
Application number: PT06829211T
Authority: PT
Inventors: Steffen Hoppe; Manfred Fischer; Ralf Lammers; Manfred Mueller; Christiane Bauer; Reiner Waller; Joerg Vetter
Original assignee: Federal Mogul Burscheid Gmbh
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2010-04-08
Also published as: EP1966524A1; US8201831B2; DE102005063123B3; WO2007079834A1; ATE461387T1; EP1966524B1; EP1966524B2; US20090001669A1; JP2009522509A

Description

DESCRIÇÃO "ELEMENTO DESLIZANTE, EM PARTICULAR ANEL DE SEGMENTO, PROCESSO PARA A PRODUÇÃO DE UM ELEMENTO DESLIZANTE, SISTEMA DE DESLIZAMENTO E REVESTIMENTO PARA UM ELEMENTO DESLIZANTE" Área técnica A invenção refere-se a um elemento deslizante, em particular um anel de segmento, a um processo para a produção de um elemento deslizante, a um sistema de deslizamento e a um revestimento para um elemento deslizante.

Os elementos deslizantes, como por exemplo anéis de segmento, apresentam superfícies de deslizamento, nas quais se encontram em contacto deslizante com um componente do par no sistema tribológico. Neste caso é essencial que o tempo de vida exigido seja também cumprido sob as exigências parcialmente extremas. No caso de anéis de segmento, isto refere-se por exemplo às pressões dos cilindros cada vez mais elevadas, à injecção directa, à recirculação dos gases de escape, bem como a outras características de motores modernos, as quais sobrecarregam cada vez mais os anéis de segmento. A isto acresce-se materiais inovadores para os cilindros e o objectivo de minimizar o consumo de óleo.

Estado da técnica

De modo a alcançar o tempo de vida, os elementos deslizantes deste género apresentam camadas de protecção contra 1 desgaste. Estas podem ser aplicadas através de processos de projecção a quente, processos galvânicos, através de nitretação ou processos da tecnologia de camada fina. 0 documento DE 19825860 Ai descreve um anel de segmento que apresenta, na sua superfície de deslizamento, um revestimento constituído por carbono tipo diamante. Esta camada forma uma camada contra desgaste duradouramente eficaz. A partir dos documentos US 6279913 BI e US 6325385 BI resultam anéis de segmento que apresentam uma camada de DLC (diamond like carbon), sendo que uma camada nitretada pode existir entre esta camada e o material do anel de segmento. 0 documento US 2005/0100701 AI refere-se a um anel de segmento com uma camada de carbono duro, na qual o teor de hidrogénio varia ao longo da espessura.

Apresentação da invenção A invenção tem como objectivo subjacente o de conceber um elemento deslizante, em particular um anel de segmento, que não apresente apenas boas propriedades de desgaste, mas sim também uma boa fiabilidade durante a fase de rodagem. Pretende-se ainda conceber um processo para a produção de um elemento deslizante deste género, um sistema de deslizamento com um tal elemento deslizante e um revestimento para um elemento deslizante. A solução deste objectivo é efectuada, por um lado, através do elemento deslizante descrito na reivindicação 1. 2 A invenção baseia-se no reconhecimento de que adicionalmente à necessidade de proporcionar uma boa segurança contra desgaste ao longo de todo o tempo de vida, a assim chamada fase de rodagem é particularmente crítica. Verificou-se que os componentes do par no sistema tribológico ainda não se tinham ajustado de forma suficiente um ao outro durante esta fase de rodagem, de modo que pode ocorrer a formação de estrias e/ou vestígios de queimaduras. A solução de acordo com a invenção de combinar boas propriedades de rodagem com boas propriedades de desgaste para o funcionamento a longo prazo, consiste no facto de a superfície do elemento deslizante que se encontra em contacto deslizante com uma superfície de deslizamento apresentar uma camada contra desgaste e, aplicada sobre esta, uma camada de rodagem constituída por carbono, que contém hidrogénio e fases nanocristalinas de carboneto. 0 teor de hidrogénio pode por exemplo ser de 10 a 20 de fracção molar. Sob determinadas condições pode contudo prescindir-se das fases nanocristalinas de carboneto. Para a combinação descrita de camada de rodagem e camada contra desgaste verificou-se que deste modo podem ser optimamente cumpridas todas as exigências. A camada de rodagem pode ser configurada como camada de DLC (diamond like carbon) e pode ser aplicada pelo processo de PVD. Uma camada deste género caracteriza-se, assim foi demonstrado por ensaios, por uma segurança muito elevada contra vestígios de queimaduras, mesmo no caso de uma carga térmica e/ou mecânica elevada. A camada de rodagem de acordo com a invenção possui ainda um coeficiente de atrito reduzido, o que minimiza a introdução de energia nos componentes do par no sistema tribológico durante a fase de rodagem crítica. As fases nanocristalinas de carboneto influenciam para além disso a resistência ao desgaste. A camada 3 de rodagem de acordo com a invenção apresenta, em particular, uma dureza comparativamente reduzida, embora tenha uma tenacidade excelente. Por este meio possibilita-se um ajuste particularmente rápido dos componentes do par no sistema tribológico, em particular da sua topografia.

Neste contexto, a ideia base da invenção consiste ainda em prever duas camadas separadas para as diferentes exigências durante o tempo de vida de um elemento deslizante. A camada de rodagem assegura, como foi descrito, um ajuste rápido dos componentes do par no sistema tribológico um ao outro, de modo que os problemas actualmente existentes durante a fase de rodagem podem ser eliminados. Neste caso aceita-se, de certo modo, como inevitável que a camada de rodagem não pode actuar como camada duradoura contra desgaste. A camada de rodagem é removida, pelo menos por zonas, e possibilita a rodagem rápida dos componentes do par em deslizamento. Para boas propriedades de desgaste durante o tempo de vida necessário, a camada contra desgaste situada por debaixo torna-se então determinante. A camada de rodagem pode também ser designada por camada de cobertura da camada contra desgaste. A camada contra desgaste pode por exemplo ser uma camada aplicada por projecção a quente, uma camada galvânica, uma camada nitretada ou uma camada de material duro depositada por tecnologia de camada fina. As camadas contra desgaste deste género garantem, após a fase de rodagem, o tempo de vida do elemento deslizante. Os problemas actuais com as camadas contra desgaste deste género durante a fase de rodagem podem ser solucionados através da camada de rodagem separada, de acordo com a invenção. As insuficiências das camadas contra desgaste mencionadas durante a fase de rodagem consistiam sobretudo em 4 serem produzidos vestígios de queimaduras, ou mesmo as camadas falharem no caso de uma carga térmica e/ou mecânica elevada. No caso de camadas particularmente duras, como por exemplo revestimentos aplicados através de tecnologia de camada fina, estava assegurado, com efeito, a protecção contra desgaste, no entanto, devido à elevada dureza, é possível um ajuste insuficiente dos componentes do par no sistema tribológico um ao outro. 0 componente do par pode até ser duradouramente danificado. Estes problemas foram solucionados através da camada de rodagem de acordo com a invenção, que por este meio assegura uma rodagem sem problemas. A segurança duradoura contra desgaste pode ser assegurada, como foi mencionado, através da camada contra desgaste situada por debaixo.

Os aperfeiçoamentos preferidos encontram-se descritos nas outras reivindicações.

Experiências particularmente boas foram feitas com uma camada de rodagem de acordo com a invenção, que é do tipo Me-C:H. As camadas deste género apresentam um comportamento de rodagem particularmente favorável e uma segurança elevada contra vestígios de queimaduras. Neste caso, foram obtidos resultados particularmente bons com uma camada contendo tungsténio. A relação entre o carbono e o tungsténio é, de um modo preferido, superior a 1. 0 teor em tungsténio pode perfazer, em particular, aproximadamente 60% a 90% do teor de carbono.

De um modo preferido, a camada de rodagem contém partículas do tipo WC e/ou partículas com teores de cobalto. As partículas com teores de cobalto podem originar-se por serem utilizados targets com cobalto combinado. No caso dos targets trata-se das fontes de metal, por exemplo placas de tungsténio-cobalto que, 5 visando a formação da camada de rodagem, são depositadas por pulverização catódica, através de bombardeamento iónico no âmbito do processo de PVD.

Em ensaios verificou-se como espessura preferida da camada de rodagem, uma espessura de 1 pm a 5 pm, em particular de 3 pm a 5 pm. Como estrutura da camada de rodagem é preferido que, de acordo com a forma de realização acima descrita, se forme numa zona interior, uma camada de WC com uma espessura de, por exemplo, 0,5 pm a 2 pm. Numa zona exterior, a camada é do tipo a-C:H:W e pode conter, adicionalmente, partículas nanocristalinas do tipo WC e/ou partículas com teores de cobalto. A espessura preferida da camada de rodagem de 1 pm a 5 pm é válida, incluindo a camada de WC interior acima descrita, com uma espessura de, por exemplo, 0,5 pm a 2 pm.

Para a camada contra desgaste existente por debaixo da camada de rodagem conseguiu-se obter bons resultados com uma camada nitretada, uma camada galvânica, uma camada aplicada por projecção a quente e uma camada de material duro depositada por tecnologia de camada fina. A camada nitretada pode ser configurada como uma camada que prolifera, através de difusão, para dentro do material base de aço ou de ferro fundido. No caso de uma camada galvânica pode tratar-se, de um modo vantajoso, de uma camada de cromo duro ou de uma camada de cromo duro com deposições de substâncias duras. Uma camada aplicada por projecção a quente pode ser produzida à base de molibdénio ou a partir de misturas de componentes cerâmicos. A ligação entre a camada de rodagem e a camada contra desgaste pode ainda ser melhorada através de uma camada 6 intermédia, de um modo preferido metálica, em particular uma camada de cromo.

Para o corpo de base do elemento deslizante, sobre o qual se encontram configuradas as camadas descritas, o ferro fundido ou o aço demonstrou ser particularmente favorável.

Como foi mencionado, no caso do elemento deslizante de acordo com a invenção trata-se, de um modo preferido, de um anel de segmento que apresenta a camada de rodagem pelo menos na superfície de deslizamento, com a qual o anel de segmento se encontra em contacto deslizante com um cilindro ou uma camisa de cilindro. Suplementarmente, a camada de rodagem pode também ser configurada sobre um ou ambos os flancos do anel de segmento.

Para a produção do elemento deslizante, um processo de acordo com a invenção consiste em aplicar a camada de rodagem mediante um processo de PVD (physical vapor deposition) . Neste caso, na fase inicial do processo de PVD pode executar-se um bombardeamento iónico do elemento deslizante com o auxilio de uma descarga luminescente apoiada por arco voltaico (ArcEnhancedGlowDischarge, AEGD), de modo a limpar a superfície. 0 processo de PVD pode por exemplo ser executado a uma temperatura de deposição de 200 + /- 30 °C. Por fim é mencionado que, no âmbito do processo de PVD, podem ser utilizadas placas de tungsténio-cobalto como targets ou fontes de metal que são depositadas por pulverização catódica, através do bombardeamento iónico no âmbito do processo. A invenção refere-se ainda a um sistema de deslizamento com um elemento deslizante em qualquer uma das formas de realização 7 acima descritas e com um corpo com uma superfície de deslizamento.

Para a superfície de deslizamento podem ser obtidos resultados particularmente bons quando esta é configurada a partir de uma liga à base de ferro, em particular a partir de ferro fundido cinzento, a partir de aço, a partir de uma liga à base de alumínio, a partir de materiais de alumínio-silício, em particular material fundido de alumínio-silício, a partir de materiais galvânicos à base de níquel ou cromo, a partir de material fundido de AISi hipereutéctico, a partir de material de AISi projectado, em particular material de AISi projectado a quente e/ou a partir de uma camada aplicada por injecção a quente.

Em conformidade com o anterior, para um anel de segmento enquanto elemento deslizante de acordo com a invenção, o sistema de deslizamento apresenta, de um modo preferido, um cilindro ou uma camisa de cilindro. Neste caso, o anel de segmento pode estar inserido numa primeira ranhura do êmbolo, como anel da segunda ranhura, como anel de lubrificação de duas partes ou como anel de banda de aço para anéis de lubrificação de três partes. A solução do objectivo acima referido efectua-se por fim através de um revestimento para um elemento deslizante, que apresenta uma camada contra desgaste e uma camada de rodagem sobre esta aplicada. As formas de realização preferidas deste revestimento correspondem, no essencial, aos revestimentos das formas de realização preferidas do elemento deslizante acima descrito e obtêm as vantagens acima referidas.

Descrição resumida do desenho

No que se segue, a invenção é descrita mais ao pormenor com base numa forma de realização representada a título de exemplo na figura. A figura mostra esquematicamente a estrutura de uma superfície do elemento deslizante de acordo com a invenção.

Descrição de uma forma de realização da invenção

Na figura encontra-se representado esquematicamente como são configuradas sobre um material 1 base, "do interior para o exterior", uma camada 2 de protecção contra desgaste, uma camada 3 metálica de aderência e uma camada 4 de rodagem. No estado inicial, a camada 4 de rodagem forma a camada exterior e providencia as propriedades de rodagem favoráveis acima descritas. A camada de rodagem pode ser removida, pelo menos por zonas, durante a fase de rodagem, de modo que em seguida a camada 2 de protecção contra desgaste desenvolve a sua acção para assegurar uma segurança duradoura contra desgaste. A partir da figura resultam as relações de espessuras. A camada 4 de rodagem apresenta, por exemplo, uma espessura de 1 pm a 5 pm. A camada 3 metálica de aderência é configurada com uma espessura nitidamente inferior. Por fim, a camada 2 contra desgaste apresenta uma espessura nitidamente superior à da camada 4 de rodagem.

Lisboa, 31 de Março de 2010 9

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Elemento deslizante compreendendo, pelo menos, uma superfície para um contacto deslizante com uma superfície de deslizamento, sendo que uma camada (2) contra desgaste e uma camada (4) de rodagem constituída por carbono encontram-se aplicadas sobre a superfície, caracterizado por a camada (4) de rodagem conter hidrogénio e fases nanocristalinas de carboneto.
2. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a camada (4) de rodagem ser uma camada metálica de carbono do tipo Me-C:H, em particular uma camada contendo tungsténio.
3. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado por a camada (4) de rodagem conter partículas do tipo WC e/ou partículas com teores de cobalto.
4. Elemento deslizante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado por a espessura da camada (4) de rodagem perfazer 1-5 pm, em particular 3 -5 pm.
5. Elemento deslizante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado por a camada (2) contra desgaste ser configurada como camada nitretada, como camada galvânica, como camada aplicada por projecção a quente e/ou como uma camada de material duro depositada por tecnologia de camada fina. 1
6. Elemento deslizante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado por uma camada (3) intermédia, de um modo preferido metálica, em particular uma camada de cromo, ser configurada entre a camada (4) de rodagem e a camada (2) contra desgaste.
7. Elemento deslizante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por o corpo (1) de base do elemento deslizante ser constituído por ferro fundido ou aço.
8. Elemento deslizante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado por o elemento deslizante ser configurado como anel de segmento.
9. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a camada (4) de rodagem se encontrar aplicada sobre a superfície de deslizamento e/ou os flancos do anel de segmento.
10. Processo para a produção de um elemento deslizante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado por a camada (4) de rodagem ser aplicada mediante processos de physical vapor deposition (PVD).
11. Sistema de deslizamento compreendendo um elemento deslizante de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9 e um corpo com uma superfície de deslizamento.
12. Sistema de deslizamento de acordo com a reivindicação 11, caracterizado por a superfície de deslizamento ser configurada a partir de uma liga à base de ferro, em 2 particular a partir de ferro fundido cinzento, a partir de aço, a partir de uma liga à base de alumínio, a partir de um material de alumínio-silício, em particular material fundido de alumínio-silício, a partir de um material galvânico à base de níquel ou cromo, material fundido de AlSi hipereutéctico, material de AISi projectado, em particular material de AlSi projectado a quente e/ou a partir de uma camada aplicada por projecção a quente.
13. Sistema de deslizamento de acordo com a reivindicação 11 ou 12, sendo que o elemento deslizante é configurado como anel de segmento e a superfície de deslizamento é configurada num cilindro ou numa camisa de cilindro, caracterizado por o anel de segmento estar inserido numa primeira ranhura do êmbolo, como anel da segunda ranhura, como anel de lubrificação de duas partes ou como anel de banda de aço para anéis de lubrificação de três partes.
14. Revestimento para um elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1, compreendendo uma camada (2) contra desgaste que pode ser aplicada sobre a face superior do elemento deslizante, e uma camada (4) de rodagem que é configurada como camada de carbono, caracterizado por a camada de rodagem conter hidrogénio e fases nanocristalinas de carboneto.
15. Revestimento de acordo com a reivindicação 14, caracterizado por a camada (4) de rodagem ser uma camada metálica de carbono do tipo Me-C:H, em particular uma camada contendo tungsténio. 3
16. Revestimento de acordo com a reivindicação 14 ou 15, caracterizado por a camada de rodagem conter partículas do tipo WC e/ou partículas com teores de cobalto.
17. Revestimento de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 16, caracterizado por a espessura da camada de rodagem perfazer 1-5 pm, em particular 3-5 pm.
18. Revestimento de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 17, caracterizado por uma camada (3) intermédia, de um modo preferido metálica, em particular uma camada de cromo, ser configurada entre a camada (2) contra desgaste e a camada (4) de rodagem.
19. Revestimento de acordo com qualquer uma das reivindicações 14 a 18, caracterizado por a camada contra desgaste ser configurada como camada nitretada, camada galvânica, como camada aplicada por projecção a quente e/ou como uma camada de material duro depositada por tecnologia de camada fina. Lisboa, 31 de Março de 2010 4