BRPI0509345B1 - processo para produção de um revestimento sobre um anel de pistão, bem como anel de pistão - Google Patents
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Abstract
processo para produção de um revestimento sobre um anel de pistão, bem como anel de pistão. a presente invenção refere-se a um processo para produção de um revestimento sobre a superfície periférica externa de um como de base de anel de pistão, sendo que várias camadas são aplicadas, camada por camada, sobre a superfície periférica, de tal modo que, primeiramente, é aplicada sobre a superfície periférica, no processo de pvd, pelo menos uma camada de aderência metálica, na base de cr (4), sem adição de nitrogênio ao gás de processo, subseqüentemente, é adicionado nitrogênio ao gás de processo, sob aumento da pressão parcial de nitrogênio, para formação de uma camada de gradiente de crn (5) sobre a camada de aderência, e, finalmente, é aplicada pelo menos uma camada de cobertura (6) com composição constante, na base de crn, cr2n ou uma mistura das duas fases, sobre a camada de gradiente de crn.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA PRODUÇÃO DE UM REVESTIMENTO SOBRE UM ANEL DE PISTÃO, BEM COMO ANEL DE PISTÃO". [001] A presente invenção refere-se a um processo para a produção de um revestimento sobre a superfície periférica externa de um corpo de base de anel de pistão. [002] Pelo documento DE-C 41 12 422 é conhecido um revestimento resistente à abrasão, que contém cromo e pelo menos um ni-treto de cromo, que está formado sobre um material de suporte. A concentração de nitrogênio do revestimento aumenta contínuamente, da superfície de contato entre o material de suporte e o revestimento, em direção à superfície externa do revestimento. O revestimento tem uma região adjacente à superfície externa, que contém, substancial-mente, uma mistura de Cr2N e CrN. O revestimento, alternativamente, pode conter cromo. O revestimento resistente à abrasão pode ser aplicado, por exemplo, sobre componentes submetidos à fricção por deslizamento, tal como um anel de pistão ou similar. [003] No documento US-A 5.851.659 são descritos um corpo cor-rediço e um processo para produção de um corpo corrediço desse tipo, sendo que o corpo corrediço está dotado de uma camada na base de Cr2N, que apresenta uma porosidade entre 1,5 e 20%. Os cristais dos nitretos de cromo estão alinhados, nesse caso, paralelamente à superfície do revestimento, sendo que os nitretos de cromo do revestimento podem conter CrN, Cr2N ou uma mistura das duas fases. [004] No documento DE-Gbm 296 95 666 é descrito um componente na região de câmaras de combustão, com um revestimento depositado sobre pelo menos uma de suas superfícies em um processo de vácuo, que consiste em uma camada de carbono amorfa, livre de metal, cuja evolução de dureza está graduada ao longo da espessura de camada. Nesse caso, o revestimento deve ser aplicado em um pro- cesso de CVD, sendo que a graduação é ajustável por parâmetros de processo. [005] Anéis de pistão, particularmente usáveis na primeira ranhura de um pistão, são dotados, entre outros, de camadas de proteção contra de-gaste, tais como podem ser encontradas no estado da técnica descrito acima, para poder satisfazer a vida útil exigida. Pressões de cilindro mais altas, injeção direta, retorno de gás de escapa-mento e outras características de construção de desenvolvimentos de motores recentes, mas também a minimização do consumo de óleo, solicitam os anéis de pistão de tal modo que com os revestimentos de anel de pistão convencionais as expectativas de vida útil exigidas não podem mais ser garantidas. [006] Pelo estado da técnica tornaram-se conhecidos revestimentos de anel de pistão na base de nitreto de cromo de acordo com a tecnologia de camada fina, em parte com aditivos de oxigênio e/ou carbono. Essas camadas dispõem de boas propriedades de resistência e trilha de desgaste. Para atender as exigências de vida útil, com os valores de desgaste existentes, particularmente, de motores a die-sel altamente solicitados, precisam ser produzidas espessuras de camada grandes, que não são típicas para a tecnologia de camada fina. Os mesmos são limitados com as tensões próprias na camada, que aumentam com a espessura de camada, com o que pode ocorrer a formação de rachaduras no revestimento e/ou desprendimentos. Particularmente, no revestimento descrito no documento DE-C 41 12 422 não pode ser garantida uma continuidade do comportamento de desgaste, vista ao longo do tempo. [007] A invenção tem por base a tarefa de pôr à disposição um processo para produção de um revestimento sobre a superfície periférica externa de um corpo de base de anel de pistão, pelo qual podem ser produzidos revestimentos de anel de pistão que, apenas das solici- tações do motor indicadas, atendem satisfatoriamente sua função durante toda a vida útil do motor. Sob uso da tecnologia de camada fina, deve ser produzida, além disso, uma camada que não apresente as desvantagens mencionadas e possibilite o depósito de espessuras de camada, que garantem um comportamento de função suficiente para motores altamente solicitados, visto ao longo de toda a vida útil do motor. [008] Essa tarefa é solucionada por um processo para produção de um revestimento sobre a superfície periférica externa de um corpo de base de anel de pistão, pelo fato de que várias camadas são aplicadas, camada por camada, sobre a superfície periférica, de tal modo que no processo de PVD é primeiramente aplicada pelo menos uma camada de aderência metálica na base de Cr, sem adição de nitrogênio ao gás de processo, sobre a superfície periférica, subseqüente-mente, de modo que há aumento da pressão parcial de nitrogênio, para formação de uma camada de gradiente de CrN, sobre a camada de aderência, e, finalmente, é aplicada pelo menos uma camada de cobertura de composição constante, na base de CrN, Cr2N ou uma mistura das duas fases sobre a camada de gradiente. [009] Desenvolvimentos vantajosos do objeto da invenção podem ser encontrados nas reivindicações secundárias sobre o processo. [0010] A tarefa também é solucionada por um anel de pistão, que consiste em um corpo de base, sobre cuja superfície periférica externa estão aplicadas várias camadas, camada por camada, uma sobre a outra, sendo que a camada de aderência, voltada para a superfície periférica externa, é uma camada de aderência de PVD na base de Cr, sobre a camada de aderência é aplicada uma camada de gradiente de PVD-CrN, com uma composição de camada de Cr, para misturas de Cr-Cr2N, Cr2N, misturas de Cr2N-CrN, até CrN e sobre a camada de gradiente de CrN está aplicada pelo menos uma camada de cobertura com composição constante, na base de CrN, Cr2N ou uma mistura das duas fases. [0011] Desenvolvimentos vantajosos do anel de pistão de acordo com a invenção podem ser encontrados nas respectivas reivindicações secundárias sobre o objeto. [0012] Desse modo, é proposta uma camada aplicada no processo de PVD, na base de CrN, com formação de camada parcialmente graduada. Da pluralidade de sistemas de camadas de material sólido depositados no processo de PVD, distingue-se o sistema Cr-N por tensões próprias relativamente baixas. Enquanto outras camadas podem ser produzidas com apenas poucos ocm de espessura de camada, antes que as tensões próprias formadas levem a danificações da camada, as camadas de CrN podem ser aplicadas em espessuras de camada nitidamente maiores. Nas espessuras de camada de 30 a 50 ocm, necessárias atualmente para a vida útil, particularmente, de motores a diesel, em revestimentos convencionais as tensões próprias formadas podem, no entanto, levar a desprendimentos de camada ou à formação de rachaduras no material básico do anel de pistão. [0013] De acordo com a invenção, as tensões próprias no sistema Cr-N são reduzidas a espessuras de camadas mais altas pelo fato de que o conteúdo de nitrogênio dentro da camada de gradiente é aumentado em uma função de rampa. A camada de acordo com a invenção é formada, a partir do material básico do anel de pistão, tal como se segue material básico - camada de aderência de Cr - camada de gradiente de CrN - camada de cobertura de CrN. [0014] No sistema de camada Cr-N existem, além do Cr metálico com Cr2N (33% em átomo N) e CrN (50% em átomo N), dois nitretos. Dependendo da pressão parcial de nitrogênio ajustada no processo de PVD, formam-se as diferentes fases ou as misturas de fase das mesmas. Frise-se ainda que a camada de cobertura é produzida com uma espessura de camada entre 10 e 80 ocm e a camada de gradiente de CrN é produzida com uma espessura de camada entre 1 e 8 ocm. [0015] Não obstante, a espessura de camada total entre 30 e 50 ocm, é produzida uma camada de gradiente de CrN 5 com uma espessura de camada entre 2 e 6 ocm e uma camada de aderência 4 com uma espessura de camada < 0,6 ocm [0016] No processo de revestimento, primeiramente é depositada, sem adição de nitrogênio ao gás de processo, uma camada de Cr metálica, com uma espessura de camada < 1 oc. Subseqüentemente, nitrogênio é adicionado ao gás de processo, sendo que a pressão parcial de nitrogênio é aumentada continuamente. A composição de camada dentro da camada de gradiente é variada, nesse caso, de Cr, para misturas de Cr - Cr2N, Cr2N, misturas de Cr2N - CrN, até o CrN. Subseqüentemente, é depositada uma camada de cobertura com composição constante. Pode tratar-se, nesse caso, de CrN, Cr2N ou de uma mistura das duas fases. [0017] Surpreendentemente, mostrou-se que a espessura de camada totais entre 30 e 50 ocm, uma espessura de camada de gradiente de 3 a 5 ocm é suficiente para reduzir as tensões próprias de tal modo que não mais ocorram desprendimentos de camada ou formações de rachadura. [0018] O objeto da invenção está representado por meio de um exemplo de reação e é descrito tal como se segue. Mostram [0019] Figura 1 corte transversal por um corpo de base de anel de pistão, com revestimento de superfície de rolamento aplicada sobre o mesmo [0020] Figura 2 perfil de concentração Cr-N, do revestimento de superfície de rolamento representada na Figura 1. [0021] A Figura 1 mesma a secção transversal de um anel de pistão 1, que compreende um corpo de base 2, que está dotado de uma superfície periférica 3 externa, que forma uma superfície de rolamento. Sobre a superfície periférica 3 externa foram aplicadas nesse exemplo três camadas 4, 5, 6 de acordo com o processo de PVD. Nesse exemplo, a camada 4 deve estar formada por uma camada de aderência na base de Cr e apresentar uma espessura de camada de 0,5 <xm, [0022] Sobre a camada de aderência 4 foi aplicada, igual mente no processo de PVD, uma camada de gradiente de CrN 5, com uma espessura de camada de 3 ocm. A composição de camada dentro da camada de gradiente de CrN 5 foi variada de tal modo por adição de nitrogênio ao gás de processo que foram ajustáveis depósitos de Cr, para misturas de Cr - Cr2N, Cr2N, misturas de Cr2 - CrN, até o CrN. [0023] Sobre a camada de gradiente de CrN 5 foi aplicada, igualmente no processo de PVD, uma camada de cobertura 6 com composição constante, com uma espessura de camada de 30 xm, sendo que, nesse caso, trata-se de CrN. Cr2N ou então uma mistura das duas fases também é imaginável, [0024] Em um ensaio, uma camada de CrN de 30 ocm de espessura de camada total foi depositada sobre um anel de pistão 1. Nesse caso, foi aplicada primeiramente uma camada de aderência de Cr de 0,5 ocm, no outro caso, igualmente uma camada de aderência de Cr com a mesma espessura e, adicionalmente, uma camada de gradiente com 3 ocm de espessura, A variante com camada de gradiente apresentou tensões próprias de pressão com apenas metade do tamanho da camada, sem camada de gradiente. [0025] A Figura 2 mostra o perfil de concentração do revestimento descrito na Figura 1. São visíveis os conteúdos de Cr e N em % em átomos, bem como as espessuras de camada em ocm. No processo de revestimento, é prime ira mente depositada, sem adição de nitrogênio ao gás de processo, uma camada de Cr metálica (camada de aderência 4). De acordo com a invenção as tensões próprias no sistema Cr- N são reduzidas a espessuras de camada mais altas pelo fato de que o conteúdo de nitrogênio da camada de gradiente de CrN 5 é aumentado em uma função de rampa, de tal modo que nitrogênio é adicionado ao gás de processo, sendo que a pressão parcial de nitrogênio é aumentada continuamente nesse exemplo. A composição de camada na camada de gradiente de CrN 5 é, nesse caso, de Cr para misturas de Cr2N, Cr2N, misturas de Cr2N - CrN, até o CrN. Subseqüentemente, é depositada uma camada de cobertura 6 com composição constante, sendo que, nesse caso, trata-se de CrN.
Claims (9)
1. Processo para produção de um revestimento sobre a superfície periférica externa (3) que forma uma superfície de rolamento de um corpo de base de anel de pistão (2), sendo que várias camadas (4, 5, 6) são aplicadas, camada por camada, sobre a superfície periférica (3), de tal modo que, primeiramente, é aplicada sobre a superfície periférica (3) no processo de PVD, pelo menos uma camada de aderência (4) metálica, na base de Cr, sem adição de nitrogênio ao gás de processo sobre a superfície periférica (3), subsequentemente, é adicionado nitrogênio ao gás de processo, sob aumento da pressão parcial de nitrogênio, para formação de uma camada de gradiente de CrN sobre a camada de aderência (4), e, finalmente, é aplicada pelo menos uma camada de cobertura (6) com composição constante, na base de CrN, Cr2N ou uma mistura das duas fases, sobre a camada de gradiente de CrN (5), caracterizado pelo fato de que o aumento da pressão parcial de nitrogênio se dá continuamente até que a camada de gradiente de CrN (5) é produzida com uma espessura de camada entre 1 e 8 cem e posteriormente a camada de cobertura (6) é produzida com uma espessura de camada entre 10 e 80 ccm.
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o aumento da pressão parcial de nitrogênio é realizado de acordo com o tipo de uma função de rampa.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a composição de camada dentro da camada de gradiente de CrN (5) varia de Cr para misturas de Cr-Cr2N, Cr2N, misturas de Cr2N - CrN, até o CrN,
4. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de que a camada de aderência (4) é produzida com uma espessura de camada entre 0,1 e 1 cem.
5. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que a uma espessura de camada total entre 30 e 50 ocm, é produzida uma camada de gradiente de CrN (5) com uma espessura de camada entre 2 e 6 ocm e uma camada de aderência (4) com uma espessura de camada < 0,6 ocm.
6. Anel de pistão, que consiste em um corpo de base (2) sobre cuja superfície periférica (3) externa que forma uma superfície de rolamento estão aplicadas diversas camadas (4, 5, 6), camada por camada, uma sobre a outra, sendo que a camada de aderência (4) voltada para a superfície periférica (3) externa é uma camada de aderência de PVD na base de Cr, sobre a camada de aderência (4) está aplicada uma camada de gradiente de CrN (5), com uma composição de camada que varia de Cr para misturas de Cr-Cr2N, Cr2N, misturas de Cr2N - CrN, até o CrN, e sobre a camada de gradiente de CrN (5) está aplicada pelo menos uma camada de cobertura (6) com composição constante, na base de CrN, Cr2N ou uma mistura das duas fases, caracterizado pelo fato de que a camada de gradiente de CrN (5) apresenta uma espessura de camada entre 1 e 8 ocm e a camada de cobertura (6) apresenta uma espessura de camada entre 10 e 80 ocm.
7. Anel de pistão de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a camada de aderência (4) apresenta uma espessura de camada entre 0,1 e 1 ocm.
8.
Anel de pistão de acordo com uma das reivindicações 9 a 12, caracterizado pelo fato de que, a uma espessura de camada total de 30 a 50 ocm, a camada de aderência (4) apresenta uma espessura de camada de < 0,6 ocm e a camada de gradiente de CrN, uma espessura de camada entre 2 a 6 ocm.
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