WO2014000076A1

WO2014000076A1 - Elemento deslizante e motor de combustão interna

Info

Publication number: WO2014000076A1
Application number: PCT/BR2013/000232
Authority: WO
Inventors: Rodrigo Favaron
Original assignee: Mahle Metal Leve S/A; Mahle International Gmbh
Priority date: 2012-06-29
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-01-03
Also published as: DE112013003176T5; BR102012016283A2; CN104471105A

Abstract

A presente invenção refere-se a um elemento deslizante (1) para uso em motores de combustão interna, elemento deslizante (1) esse que é dotado de uma camada deslizante (4) compreendendo uma matriz de tungsténio e carbetos de tungsténio com vista a aumentar a longevidade do elemento deslizante (1) através das melhorias da resistência à fadiga e ao desgaste e concomitante prevenir o desgaste dos componentes do motor que interagem com dito elemento deslizante (1).

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ELEMENTO DESLIZANTE E MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA".

A presente invenção refere-se a um elemento deslizante para uso em motores de combustão interna, elemento deslizante esse que é dotado de uma camada deslizante compreendendo uma matriz de tungsténio e carbetos de tungsténio com vista a aumentar a longevidade do elemento deslizante através da melhoria da resistência à fadiga e ao desgaste e, concomitante, prevenir o desgaste dos componentes do motor que interagem com dito elemento deslizante.

Descrição do estado da técnica

Tendo em conta as demandas crescentes da indústria automóvel, novas e- xigências têm surgido, exigências essas que se refletem diretamente em uma maior solicitação dos componentes de motores de combustão interna. Desse modo, os atuais componentes de motor, não estando projetados para tal demanda, sofrem um desgaste prematuro. Algumas das peças que naturalmente sofrem esse efeito são os elementos de deslizamento, particularmente mancais e anéis de pistão.

Inúmeros desenvolvimentos têm surgido com o intuito de melhorar a resistência à fadiga e ao desgaste dos componentes de um motor de combustão interna; porém, o aumento das pressões de trabalho dos motores de combustão interna e a crescente intensidade de fricção e contato entre os componentes de um motor dificultam o sucesso de tais tentativas por precocemente levarem um dos elementos de deslizamento, ou os outros componentes do motor, ao desgaste.

Note-se também que o futuro não reserva facilidade para este campo de a- tuação, basta observar que se exigem motores mais potentes, que atinjam regimes de rotação mais elevados, mais eficientes, com menor consumo e com elevada capacidade de carga. Todos esses fatores comprometem o desempenho do motor ao longo prazo, prejudicando o funcionamento do motor, ou mesmo a sua falha.

Naturalmente, face às novas exigências, novos materiais precisam surgir, posto que aqueles já conhecidos são os mesmos que limitam o desempenho de motores de combustão interna dos dias de. hoje. Uns dos componentes mais importantes para alcançar um melhor desempenho de um motor são os elementos de deslizamento, tais como pistões, mancais, etc. Devido às inovações de elementos deslizantes, com mais dureza, mais resistência à fadi- ga e ao desgaste, e consequentemente mais vida útil, a indústria automóvel tem se modernizado a par e passo com o desenvolvimento de motores cada vez mais eficientes, poderosos e duráveis frente à elevada carga a que são submetidos.

Entende-se que quanto mais duro o elemento deslizante, menos ele se des- gasta; porém, quanto mais duro o elemento deslizante, mais desgaste ocorre nos componentes do motor mais macios com os quais interage. Ademais, sabe-se que quanto mais duro o elemento deslizante, mais frágil ele se torna e mais tensões internas são geradas quando na fabricação, resultando particularmente em um aumento na probabilidade de que haja delaminação do elemento deslizante, destacamento da camada mais dura que recobre o componente ou até mesmo a quebra, rompimento do componente.

Nesse sentido, elementos deslizantes do estado de técnica têm tentado chegar a um equilíbrio de ter um elemento deslizante com uma dureza suficientemente alta para que não se desgaste facilmente com o contato com outros componentes do motor, mas também suficientemente não agressivo relativamente aos outros componentes do motor para que não cause desgaste aos outros componentes do motor, e suficientemente tenaz, para que não haja delaminação do elemento deslizante, e para que aumente a vida útil em geral de um motor. Como se vê, a equação é de longe fácil.

A presente invenção revela por fim um elemento deslizante cuja dureza é mais elevada que os elementos deslizantes do estado de técnica, mas por outro lado, também não ocasiona desgaste nos outros componentes do motor com qual o elemento se interage constantemente na operação do motor. Apresenta-se, enfim, um elemento deslizante de uma dureza elevada que sofre menos desgaste sob elevada carga, que não sofre delaminação, e que também não ocasiona desgaste nos outros componentes do motor. Não obstante os possíveis problemas acima identificados como o desgaste nos outros componentes do motor ou o estresse interno no motor devido ao uso de um elemento deslizante de elevada dureza, o pedido de patente WO2008098548, e a patente DE10011917 revelam uma alta demanda para elementos deslizantes com mais dureza no uso em um motor de combustão interna.

O pedido de patente WO2008098548 descreve um anel de pistão dotado de uma camada deslizante, que diminui gradualmente e é depositada em pelo menos uma face do anel de pistão por deposição física de vapor (PVD). No entanto, elementos deslizantes revestidos por PVD são mais susceptíveis à delaminação quando comparados com os elementos deslizantes dotados de camadas depositadas por outros processos. Assim, esta tecnologia apresenta logo em sua raiz, problemas sérios.

Patente DE10011917 revela um anel de pistão compreendendo uma cama- da de revestimento de nitreto de titânio de uma dureza de aproximadamente 2200HV a 2500HV depositado por PVD ou CVD na superfície deslizante do anel de pistão, dotado de uma espessura de 5 a 20 mícrons. A tecnologia revelada por este documento apresenta um grande inconveniente que deriva da reduzida espessura da camada deposita, resultando em uma vida útil re- duzida do componente, ou seja, exatamente aquilo que se deseja evitar. Do mesmo modo, a dureza é excessivamente elevada ao ponto de riscar a superfície de deslizamento de um cilindro.

Faz-se assim necessário alcançar uma solução que garanta o quesito durabilidade, resguardando a necessidade de não ocorrer o desgaste nos com- ponentes com os quais o elemento de deslizamento interage e, também, de resistir à delaminação que naturalmente se mostra tendencialmente crescente quando se aumenta a dureza da camada de revestimento.

Objetivos da invenção

É, portanto, um objetivo da presente invenção prover um elemento de desli- zamento para uso em motores de combustão interna capaz de conciliar diferentes características responsáveis pela melhor resistência ao desgaste tan- to para o elemento deslizante quanto para as superfícies dos componentes do motor com quais interage o tal elemento deslizante.

É, também, um objetivo da invenção prover um elemento deslizante para uso em motores de combustão interna compreendendo uma camada dotada de uma matriz de tungsténio e de carbetos de tungsténio onde um material de base ferrosa é revestido com dita matriz de tungsténio e carbetos de tungsténio, sendo que dita camada pode ser associada à base ferrosa por meio de uma camada de ligação de níquel.

É, ainda, um objetivo da presente invenção prover um elemento deslizante para uso em motores de combustão interna compreendendo uma camada dotada de uma matriz de tungsténio e de carbetos de tungsténio, cuja camada seja aplicada por um processo de deposição química em fase vapor (CVD).

Por fim, é ainda um objetivo da presente invenção prover um motor dotado do elemento deslizante apontado acima.

Breve descrição da invenção

Os objetivos da presente invenção são alcançados por um elemento deslizante para motores de combustão interna, o elemento deslizante sendo dotado de uma material base ferrosa sobre o qual é aplicada simultaneamente e uniformemente por CVD uma camada dotada de uma matriz de tungsténio e carbeto de tungsténio, sendo que a camada pode ser associada à base ferrosa por meio de uma camada de ligação de níquel.

O elemento deslizante, objeto deste pedido, para motores de combustão interna pode incluir, mas não está limitado a um mancai, um anel de pistão, um cilindro de motor e outros componentes de motores de combustão interna que possuem propriedades deslizantes.

Descrição resumida dos desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descrita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos. As figuras mos- tram:

Figura 1 - é uma representação das camadas do elemento deslizante da presente invenção; Figura 2 - é uma fotografia das camadas do elemento deslizante da presente invenção;

Figura 3 - é uma fotografia da corte transversal do elemento deslizante da presente invenção;

Figura 4 - é uma fotografia de um elemento deslizante do estado da técnica que sofreu delaminação a 120N depois de ter submetido a um teste de ris- camento;

Figura 5 - é uma fotografia de o elemento deslizante da presente invenção que não sofreu delaminação a 180N depois de ter submetido a um teste de riscamento;

Figura 6 - gráficos comparativo de desgaste do canalete de um pistão entre dois materiais que do estado da técnica - PVD (CrN) X Aço Nitretado.

Figura 7 - gráficos comparativo de desgaste da face inferior de um anel de pistão entre dois materiais do estado da técnica PVD (CrN) X Aço Nitretado. Figura 8 - é um gráfico que mostra que o elemento deslizante da presente invenção sofre menos desgaste que o elemento deslizante de nitreto de crómio.

Figura 9 - é um gráfico que mostra que o elemento deslizante da presente invenção causa menos desgaste a um componente de motor de combustão interna com qual se interage em comparação com um elemento deslizante de nitreto de crómio do estado de técnica

Descrição detalhada de invenção

As figuras 1 , 2 e 3 representam uma vista em corte transversal do elemento deslizante 1 da presente invenção. De modo preferencial, mas não obrigató- rio, o elemento deslizante 1 da presente invenção é compreendido por um material base 2 ferroso sobre o qual é aplicada uma camada 4 dotada de uma matriz de tungsténio e de carbetos de tungsténio por CVD, sendo que a camada 4 pode ser associada à base ferrosa 2 por meio de uma camada de ligação 3 de níquel que tem como objetivo promover uma melhor adesão entre a camada 4 com a base ferrosa 2.

A figura 3 demonstra que a espessura do elemento deslizante é uniforme em todas as superfícies do elemento deslizante. Note-se que, obrigatoriamente, a deposição uniforme desta camada ao elemento deslizante é alcançada por um processo de CVD. O processo de CVD apresenta condições favoráveis à aplicação de uma camada sobre elementos deslizantes para que todas as superfícies dos elementos sejam expostas à atmosfera do forno onde acon- tece a deposição CVD. Portanto, de um modo simultâneo e uniforme, ocorre- se um revestimento de um elemento deslizante em todas as superfícies por CVD. Assim, tal como será exposto abaixo, o CVD, além da vantagem apontada, mostra-se também superior quando comparado com o PVD cujas camadas depositadas são mais susceptíveis à delaminação.

Considerando a aplicação uniforme e simultânea da camada em todas as superfícies do elemento deslizante seja a preferência, também se pode aplicar a camada dotada de uma matriz de tungsténio e carbeto de tungsténio apenas em regiões específicas do elemento deslizante. Mais especificamente, a camada dotada de uma matriz de tungsténio e carbeto de tungsténio pode ser aplicada apenas na superfície deslizante, ou na superfície deslizante e nas superfícies por cima e por baixo do elemento deslizante (superfícies adjacentes). Nesse último caso a camada depositada nas superfícies adjacentes pode ser ainda dotada de uma espessura inferior a espessura da camada aplicada na superfície deslizante, criando, enfim, um gradiente de espessura no elemento deslizante.

Com referência às outras particularidades do elemento deslizante 1 da presente invenção, note-se que o material base 2 é compreendido por uma liga ferrosa, de modo preferencial, mas não obrigatório, de aço carbono, aço inoxidável ou ferro fundido, onde, por exemplo, um aço de baixo ou médio car- bono compreende uma espessura que pode variar de 0,25mm a 10mm.

A camada de ligação 3, quando existente, é compreendida por níquel puro, dotada, de modo preferencial, mas não obrigatório, de uma espessura entre 1 e 5 mícrons.

No tocante à camada 4 depositado por CVD, a sua composição é de uma matriz de metal de tungsténio e carbetos de tungsténio. Mais especificamente, a matriz pode compreender, além do metal de tungsténio: carbeto de tungsténio WC; semicarbeto de tungsténio W2C; subcarbeto de tungsténio W3C; subcarbeto de tungsténio W12C; ou uma mistura destes carbetos. Cumpre notar ainda que a camada 4 é dotada de uma espessura de 5 a 150 mícrons, preferencialmente de 5 a 60 mícrons. Ademais, a camada 4 tem uma dureza de 1000HV a 3500HV, que varia de acordo com a profundidade de matriz aplicada. Mais especificamente, a região da superfície da camada depositada 4 (região mais externa) do elemento deslizante tem dureza que varia de 1500HV a 3500HV e a porção da camada depositada 4 com inicio desde a base ferrosa (ou camada de ligação 3) até o meio da camada depo- sitada por CVD tem dureza inferior a 1500HV.

O conjunto das figuras 4 e 5 mostra o resultados de dois elementos deslizantes após o teste de riscamento, um referente ao estado da técnica que suportou a carga de 120 N antes de ocorrer a delaminação e outro representando a presente invenção e que não sofreu delaminação quando submetido à carga máxima do equipamento que é 180N. O elemento deslizante do estado da técnica representado pela figura 4 é dotado de camada de nitreto de cromo depositado por PVD. Já o elemento deslizante da presente invenção, representado pela figura 5, é dotado de uma matriz de tungsténio e carbeto de tungsténio depositada por CVD. O elemento deslizante que sofreu dela- minação (figura 4) teve a sua camada depositada por PVD. Por sua vez, o elemento deslizante que não sofreu delaminação (figura 5) teve a sua camada depositada por CVD. O conjunto das figuras 4 e 5 ajuda a demonstrar a importância de se depositar a camada por CVD para se evitar eventuais de- laminações das camadas depositadas nos elementos deslizantes.

Além desses benefícios a deposição por CVD também permite a eliminação de tratamentos térmicos por nitretação que no estado da técnica se faz necessário, pois pre.cisa-se de uma camada dura e resistente ao desgaste também nas faces adjacentes a face de contato, pois no estado da técnica o material resistente ao desgaste (PVD) é aplicado economicamente apenas na face externa do componente, sendo nestes casos comumente necessário o tratamento de endurecimento por nitretação, sabe-se que este tipo de tratamento causa a fragilização do componente principalmente em regiões de cantos que é onde concentra-se as maiores tensões e através dos esforços cíclicos em que os componentes são submetidos podem levar a uma fratura por fadiga do componente.

No tocante a presente invenção por se tratar de um processo de CVD, e conforme mencionado anteriormente, todas as faces do componente expostas a atmosfera do forno recebem simultaneamente o recobrimento do material endurecido, neste caso não se faz necessário os comumente aplicados processo de endurecimento por nitretação, o que fornece ao componente não somente vantagens de resistência ao desgaste mas também vantagens de resistência mecânica em comparação com o estado da técnica.

Os gráficos das figuras 6 e 7 representam elementos de deslizamento que compõem o estado de técnica. Demonstram o desgaste que sofrem e causam os elementos de deslizamento com dureza elevada nas superfícies dos componentes de um motor com quais interagem. Mais particularmente, a figura 6 apresenta um comparativo de desgaste do canalete de um pistão entre dois materiais do estado da técnica - PVD (CrN) X Aço Nitretado. Já a figura 7 apresenta um comparativo de desgaste da face inferior de um anel de pistão entre dois materiais do estado da técnica PVD (CrN) X Aço Nitretado.

Como se pode ver através dos gráficos das figuras 6 e 7, para o exemplo onde existe uma camada endurecida por nitretação, tanto o elemento de deslizamento quanto o componente com que interage, neste caso as canale- tas dos pistões, sofreram desgaste na ordem de 10 a 20 mícrons. Agora em relação ao outro exemplo do estado da técnica (PVD CrN), embora o des- gaste do elemento deslizante tenha sido minimizado para 5 mícrons máximo, no componente que interage, canaletas dos pistões, o desgaste foi agravado para 30 a 40 mícrons, o que evidencia a necessidade de se desenvolver um material que aumente a resistência ao desgaste do elemento deslizante sem prejudicar o outro componente que interage.

Finalmente, uma análise dos gráficos 8 e 9 em conjunto revela que os elementos deslizantes da presente invenção, de durezas de 1750HV e 1900HV respectivamente, apresentam significativamente mais resistência ao desgas- te quando comparados com o elemento deslizante do estado da técnica (u- ma camada dotada de nitreto de crómio aplicada por PVD). Também revela que os elementos deslizantes da presente invenção conseguem maximizar as suas resistências ao desgaste enquanto também não causam desgaste nos componentes do motor com quais os elementos deslizantes se interagem, apesar de terem uma dureza mais elevada.

Em síntese, o novo conceito da presente invenção passa pelo uso de uma camada com uma elevada dureza depositada por CVD em um elemento deslizante cuja totalidade das propriedades, inesperadamente, não permite que o elemento deslizante desgaste um componente de um motor com qual o elemento deslizante se interage, enquanto o elemento em si também não se desgasta - e se houver desgaste tanto para o elemento deslizante em si como para os outros componentes de um motor, o desgaste vai ser relativamente insignificante particularmente à luz do desgaste sofrido pelos ele- mentos deslizantes do estado de técnica.

A título de exemplo, o elemento deslizante do estado da técnica pode ser um anel de pistão, um mancai, um cilindro de motor ou uma válvula. Considerando que se trata de um anel de pistão, são notórias as vantagens da presente invenção, senão veja-se. O anel de pistão dotado de uma camada de- positada 4 da presente invenção não irá sofrer tanto desgaste, não irá afetar a longevidade do seu respectivo cilindro e não irá, também, provocar desgaste mensurável na canaleta do pistão onde é inserido.

Por um lado seria razoável pensar-se que a camada depositada 4 garantisse uma boa resistência ao desgaste, porém o estado da técnica aponta que uma camada com uma dureza elevada, como a da presente invenção, dela- minaria e desgastaria os outros componentes no motor com qual se interage.

Surpreendentemente, a inédita aplicação da camada 4 depositada por CVD em um elemento de deslizamento superou os resultados esperados, sendo que mesmo com uma camada com dureza elevada, não há desgaste nos componentes com qual se interage, havendo inclusive uma diminuição do desgaste do elemento deslizante em si e a vantagem de suportar maiores cargas sem delaminação.

Desta forma, a configuração construtiva da presente invenção superou a expectativa inicial, justificando completamente o novo elemento deslizante 1. Assim, os excelentes resultados alcançados garantem que um elemento deslizante 1 com uma dureza elevada pode existir e aumentar a longevidade dos componentes de um motor de combustão interna. O aumento da longevidade desses componentes também resulta em um aumento muito superior ao normal da longevidade da vida útil do motor em si, inclusive naqueles mo- tores mais modernos cujas solicitações são consideravelmente maiores. Desta forma, o resultado alcançado pelo elemento deslizante 1 da presente invenção é tão superior àqueles do estado da técnica que se antevê como um sucesso comercial por conseguir prevenir não só o seu próprio desgaste, mas também o desgaste nos outros componentes do motor com os quais interage. Assim, a presente invenção compreende não só o elemento deslizante 1 , como também um motor contendo o elemento deslizante 1 da presente invenção.

Desse modo, resta evidente a clara vantagem do elemento deslizante 1 da presente invenção, onde a combinação dos elementos químicos depositados de uma especifica maneira originaram resultados excelentes não antes alcançados.

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.

Claims

Reivindicações

1. Elemento deslizante para motores de combustão interna, o elemento deslizante (1) sendo dotado de um material base (2) ferroso sobre o qual é apli- cada em todas as suas superfícies, sequencialmente, uma camada de ligação (3) de níquel e uma camada depositada (4), caracterizado pelo fato de que a camada depositada (4) compreende uma matriz de tungsténio metálico e carbeto de tungsténio.

2. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a camada depositada (4) é depositada por meio deposição química por fase vapor.

3. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a camada depositada (4) tem uma dureza de 1000HV a 3500HV, preferencialmente entre 1250HV e 2000HV.

4. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a dureza varia de acordo com a profundidade da camada.

5. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que da porção externa até o meio da camada depositada (4) a dureza varia de 1500HV a 3500HV e a porção do meio da camada depositada (4) até o seu início tem dureza inferior a 1500HV.

6. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a camada depositada (4) é dotada de uma espessura entre 5 e 150 mícrons, preferencialmente entre 5 e 60 mícrons.

7. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a camada depositada (4) compreende uma matriz de tungsténio metálico e um das seguintes carbetos de tungsténio, ou as suas combinações: carbeto de tungsténio WC, subcarbeto de tungsténio W2C, subcarbeto de tungsténio W3C, ou subcarbeto de tungsténio W12C.

8. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a camada depositada (4) é apenas aplicada à superfície deslizante e às suas superfícies adjacentes.

9. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 8, carac-terizado pelo fato de que a camada aplicada nas superfícies adjacentes é dotada de uma espessura de não mais de 70% da espessura da camada aplicada na superfície deslizante.

10. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que a camada depositada (4) é aplicada apenas na superfície desli- zante.

11. Elemento deslizante de acordo com a reivindicação 1 , caracterizado pelo fato de que é um anel pistão, um mancai, um cilindro de motor ou uma válvula.

12. Motor de combustão interna compreendendo um elemento deslizante tal como definido nas reivindicações precedentes.