BRPI0620191A2

BRPI0620191A2 - anel de segmento para motores de combustão interna

Info

Publication number: BRPI0620191A2
Application number: BRPI0620191-1A
Authority: BR
Inventors: Jose Valentim Lima Sarabanda; Robert Richard Banfield; Gisela Ablas Marques
Original assignee: Mahle Int Gmbh; Mahle Metal Leve Sa
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2011-11-01
Also published as: EP1963721B1; JP5065293B2; EP1963721A1; KR20080097184A; JP2009520914A; CN101365899A; WO2006131801A1; DE602006008829D1; CN101365899B; BRPI0506343A; BRPI0620191B1; US20080136116A1; KR101292978B1; US20060269790A1; EP1963721B2

Abstract

ANEL DE SEGMENTO PARA MOTORES DE COMBUSTãO INTERNA. A presente invenção refere-se a um anel de segmento para motores de combustão interna com um revestimento de nitreto de cromo (CrN) depositado por um processo de deposição física de vapor em uma superfície deslizante com uma estrutura cristalina típica da fase CrN, tendo uma alta resistência ao desgaste e resistência superior à geração de microfraturas e à conseqúente perda localizada de partes do revestimento. O revestimento é um revestimento cristalino colunar de CrN tendo um teor de poros dispersos menor que 10% em volume e razão de intensidade, medido através de difraçáo de raios X, entre os planos de cristal (111) e os planos (200), paralelos à superfície, na faixa de 0,40 a 0,70. Essa distribuição cristalina é obtida atra- vés de um teor de oxigênio impregnado no revestimento CrN entre 1,0% em peso e 7,0% em peso. A dureza Vickers da película varia de 1.500 a 2.200 HV.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ANEL DE SEGMENTO PARA MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA".

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

1. Campo Técnico da Invenção

A presente invenção refere-se a um anel de segmento para mo- tores de combustão interna, consistindo em um material base de aço ou de ferro fundido com um revestimento de nitreto de cromo depositado por um processo de deposição de vapor físico em uma superfície deslizante do anel de segmento.

2. Técnica Relativa

O uso de uma película de nitreto de cromo com estrutura cristalina típica de fase CrN na superfície periférica externa de um anel de segmento for- nece alta resistência ao desgaste para esse componente. Essa película é am- plamente usada em motores modernos, nos últimos desenvolvimentos, com altas cargas mecânica e térmica. Tal revestimento é obtido pela deposição de vapor metálico físico gerado por uma fonte de arco catódico.

Entretanto, em alguns motores recentes extremamente altamen- te carregados ou em motores com um alto nível de pressão de combustão, como os projetados para a próxima década, esse revestimento cerâmico de nitreto de cromo apresenta uma fragilidade intrínseca que leva à geração de microfraturas em sua superfície. Essas microfraturas se propagam e sua coalescência leva a peças perdidas do revestimento, danificando sua super- fície e, em alguns casos, levando a arranhões no revestimento do motor. Arranhões no revestimento e danos da face do anel são considerados uma falha funcional do sistema.

A melhoria da resistência à geração de microfraturas, que ante- cede a perda de material e os arranhões do revestimento dos cilindros é a- presentada em literatura especializada através da geração de uma película de nitreto de cromo tendo adições de oxigênio, carbono e boro, na forma de solução sólida no revestimento cristalino da fase CrN. A adição desses ele- mentos é apresentada como intrinsecamente responsável pelo aumento da resistência das microfraturas. A estrutura cristalina dos revestimentos depositados por um pro- cesso de vapor físico é modificado com a adição de pequenas quantidades de outros gases reativos e esta é uma técnica clássica estabelecida na lite- ratura, por exemplo, por Mattox no Manual de Processamento de Deposição de Vapor Físico (PVD), Ed. Noyes, pg. 486; Ano 1998. A literatura menciona que películas que são depositadas por vapor físico apresentam morfologia cristalina colunar com o crescimento preferencial das orientações cristalinas específicas paralelas à superfície da película. A orientação preferida de um plano cristalino específico pode mudar as propriedades da película e depen- de dos parâmetros de deposição, tais como a temperatura do substrato, adi- ção de gases reativos e bombardeio de íons.

A Patente U.S. n9 5.743.536 menciona que os cristais de CrN devem ser predominantemente orientados com os planos densos (111) para- lelos à superfície e que com tal orientação há uma melhoria no descasca- mento da película. Tal orientação predominante foi obtida pela manipulação dos parâmetros de deposição, sem adição externa de outros elementos de dopagem ao gás nitrogênio reagente. Entretanto, não é mencionado se tal orientação é a única observada, isto é, se orientação preferida significa que 100% dos cristais paralelos à superfície são grãos com orientação de cristal (111), ou em que proporção outras orientações de cristal são permitidas.

Apesar dessa definição relativamente aberta em relação ao teor de outros planos de cristal não tão densos como os planos (111), o revesti- mento de CrN produzido com o processo descrito na Patente U.S. n° 5.743.536 em uma dureza Vickers relativamente baixa de 600 a 1000 Ηv, o que colocaria em risco a resistência ao desgaste da película, tornando-a não aplicável para os motores modernos altamente carregados.

A Patente UK n° GB 2.276.176 descreve a dopagem de CrN com 3 a 20% em peso de oxigênio ou, alternativamente, a dopagem de CrN com 2 a 11% em peso de carbono. O principal objetivo disto foi fornecer um re- vestimento com maiores resistências ao desgaste e à fricção. A possível mudança cristalina do revestimento cristalino de CrN pela adição de oxigênio não foi trazida à discussão ou incluída nas reivindicações da patente, mas um gráfico de difração de raios X apresentado na figura 6, p. 6, mostrou que a estrutura de CrN tem um plano dominante (200) após a dopagem com 10% em peso de oxigênio.

A Patente U.S. n9 6.149.162 descreve a deposição de uma pelí- cuia de nitreto de cromo com uma estrutura de cristal de CrN tendo 0,5 a 20% em peso de oxigênio e apresentando uma microestrutura com orienta- ção dominante ou preferencial de plano cristal (200) paralelo à superfície de revestimento. É mencionado nesta patente que uma estrutura cristalina de CrN com uma orientação preferida do plano de cristal (111) é frágil em com- paração à orientação preferida do plano de cristal paralelo (200) à superfície de revestimento. Nessa patente, havia uma conexão da adição de oxigênio ao revestimento cristalino e a conseqüente alteração de sua estrutura de cristal, dando origem a uma melhoria da resistência do revestimento em re- lação à geração de microfraturas. Entretanto, a definição da orientação pre- ferida é muito ampla; não permitindo a definição de nível predominante, se ele significa 100% ou se é permitido um nível residual de planos (111) des- critos como frágeis. Similarmente, a definição da orientação preferida não impõe um estado crítico para níveis distintos de intensidade de razão de pla- nos de cristal (111) e (200) no revestimento de CrN.

Além disso, é sabido que o nitreto de cromo de estrutura de cris- tal ou fase CrN aparece em sua forma estabelecida como padronizada na natureza com razões de intensidade entre planos de cristal (111) e (200), medidos pela difração de raios X, de aproximadamente 0,80. Esta informa- ção está registrada no cartão nQ 11 - 65 da JCPDS (Joint Committee of Powder Diffraction Standards) da base de dados dos compostos do ICDD - International Centre for Diffraction Data. Portanto, a presença de um plano predominante deve ser comparada a essa razão de intensidade de planos de cristal da fase CrN de referência.

No estado acima relatado das tecnologias da técnica, o revesti- mento de nitreto de cromo com estrutura de cristal de CrN pode ser configu- rado com uma orientação preferida de plano de cristal (111), apresentando baixa dureza associada com os parâmetros de deposição usados para a ob- tenção desta orientação, ou uma orientação preferida de plano de cristal (200) paralela à superfície, obtido com a adição de uma ampla faixa de oxi- gênio. Em nenhuma das tecnologias acima há sugestão de uma orientação equilibrada preferida, que permite a presença de tanto de uma razão especí- fica entre os planos de cristal denso (111) e os planos de cristal de estrutura aberta (200).

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

É um objetivo da presente invenção fornecer um anel de seg- mento com um revestimento de nitreto de cromo com uma estrutura cristali- na pelo processo de deposição física de vapor que tem uma resistência su- perior à iniciação das microfraturas e às perdas de peças do revestimento, relacionadas à propagação dessas microfraturas, em relação ao revestimen- to de CrN apresentando uma predominância de orientação de planos de cris- tal (200) ou uma predominância de orientação de planos de cristal paralela à superfície do revestimento, descrita na técnica relativa.

O objetivo da invenção é cumprido por um revestimento de nitre- to de cromo com uma estrutura de cristal de CrN que pe caracterizada por: 1) Morfologia de cristal colunar tendo um teor de oxigênio na solução sólida na faixa de aproximadamente 1,0 a 7,0 por cento em peso; 2) Morfologia tendo um teor de microporos dispersos no revestimento inferior a 10% em volume; 3) Orientação cristalina definida pela razão de intensidade dos pla- nos de cristal densos (111) até planos de cristal (200) paralelos à superfície revestida entre 0,40 e 0,70; e faixa de dureza Vickers de 1.500 a 2.200 HV, onde a espessura do revestimento é de 5 a 80 mícrons.

O plano de cristal (200) é mais aberto por natureza. Essa abertura é definida pela densidade linear de um plano de cristal dado que é baixo para os planos da família (200). Um revestimento com tal plano, orientado parale- lamente à superfície e perpendicular à direção do crescimento da película, é capaz de ter maior absorção de estresses compressivos internos da película que se desenvolvem durante o crescimento da película, ma vez que há mais espaço entre os átomos nesse plano de cristal. Entretanto, devido à sua estru- tura mais aberta, o plano de cristal (200) apresenta um maior grau de dificul- dade para mover os deslocamentos para aliviar os estresses de corte exter- nos aplicados à superfície revestida. Portanto, um revestimento tendo predo- minantemente um plano de cristal (200) com orientação paralela à superfície tem, como conseqüência, menor tenacidade de fratura e, conseqüentemente, menor resistência a fraturas na superfície pelos estresses externos aplicados. Tal acerto de ter uma capacidade de absorção relativamente maior de estres- ses compressivos internos, que é positivo para um revestimento cerâmico, com uma menor resistência a fraturas de superfície para cargas externas de corte, dá um equilíbrio total ao revestimento além de um desempenho ótimo em relação à geração de microfraturas em sua superfície.

Por outro lado, um revestimento tendo o plano de cristal (111) com uma orientação predominante paralela à superfície desenvolve maiores estresses internos. Isto acontece devido à natureza atômica mais próxima dos planos de cristal (111), isto é, uma estrutura com menos espaço entre os átomos. Esse menor espaço entre os átomos faz com que o estresse interno gerado pelo crescimento do revestimento seja maior. Por outro lado, há uma maior facilidade de deslocamento através de planos compactos, onde o pla- no (111) é aquele que apresenta a maior facilidade. Essa facilidade de mo- vimento de deslocamento dá uma maior capacidade de alívio dos estresses de corte externo aplicados ao revestimento. Um revestimento tendo uma orientação predominante no plano de cristal denso (111) paralelo à superfí- cie tem, como conseqüência, maior tenacidade de fratura, e conseqüente- mente, uma maior resistência à iniciação de fraturas originadas pelo estres- se externo aplicado. Tal acerto é o oposto do acerto apresentado quando a orientação do plano de cristal (200) é predominantemente conforme descrita acima, isto é, a predominância de planos de cristal (111) paralelos à superfí- cie tem uma menor capacidade de absorção de estresses internos e uma maior resistência à iniciação de fraturas de superfície devido ao estresse de corte externo. De forma global, o desempenho de uma película cristalina com uma predominância de planos de cristal (111) está também longe de um desempenho ótimo.

A presente invenção fornece uma película de nitreto de cromo de estrutura de cristais de CrN capaz de fornecer um melhor acerto entre esses efeitos opostos mencionados, isto é, um equilíbrio superior entre a capacidade de absorção do estresse interno e a resistência à iniciação de fraturas superficiais devido ao estresse de corte externo, levando a um de- sempenho superior desse revestimento. Tal objetivo foi alcançado pelo equi- líbrio do teor relativo de planos de cristal (111) e (200) no revestimento. O teor de cada plano de cristal na película é dado pela contagem da intensida- de dos respectivos planos de cristal por difração de raios Xeo equilíbrio en- tre o teor de cada plano de cristal no revestimento é dado pela contagem da razão de intensidade de cada um dos dois planos. Para caracterização do revestimento, a razão de contagem de intensidade entre os planos de cristal (111) e (200) foi arbitrariamente selecionada pela indicação entre o teor de ambos os planos de cristal. O equilíbrio é representado pela razão da inten- sidade de contagem da difração de raios X de planos de cristal (111) a (200) paralelos ao substrato.

Esta proposta de um equilíbrio entre os planos de cristal (111) e (200) e sua representação através da razão entre suas respectivas intensi- dades de contagem obtidas por uma difração de raios X é um novo elemen- to, não existente na técnica anterior, que garante um melhor equilíbrio entre as propriedades de cada plano de cristal e uma definição quantitativa da es- trutura do revestimento de cristal, que é diferente da predominância de um plano de cristal específico.

O nitreto de cromo de estrutura de cristal de CrN correspondente à atual é obtido a partir de um equipamento de revestimento de arco catódi- co industrial com tensão de polarização entre os anéis e o anodo de 0 a - (menos) 100 volts, temperaturas do substrato de 350 a 500E c, pressão total de gás na faixa de 5.10 3Pa a 1 Pa (5.10"5 a 1.10'2 mbar) e nenhuma adição intencional de oxigênio ao gás nitrogênio reagente. Nessas condições, a pe- lícula de nitreto de cromo apresenta um teor de oxigênio residual até apro- ximadamente 0,5 por cento em peso. Até tal nível de teor de oxigênio, o re- vestimento depositado tem uma predominância do plano de cristal (200) pa- ralelo ao substrato. Tal predominância é representada por uma razão de in- tensidade do plano de cristal (111) para o plano de cristal (200) de 0,20 a 0,30 conforme mostrado pelas amostras 1 a 3 na tabela 1 e pelo padrão de difração na figura 2.

A definição de predominância de planos de cristal (200) nesse revestimento torna-se clara quando comparada com a estrutura de cristal CrN de referência representada pela informação contida no cartão JCPDS n° 11 - 65, que lista uma intensidade padronizada do plano de cristal (200) de 100 e uma intensidade padronizada do plano de cristal (111) de 80. Ela cal- cula, assim, uma razão de intensidade entre o plano de cristal (111) e o pla- no de cristal (200) de 0,80. Portanto, uma película que apresenta uma razão de intensidade inferior a aproximadamente 0,30 é arbitrariamente caracteri- zada como tendo predominância do plano de cristal (200).

Uma pequena adição de oxigênio ao gás nitrogênio reagente leva a um depósito de nitreto de cromo CrN tendo um teor de oxigênio de aproximadamente 0,5 a 0,9 por cento em peso, mas não muda a razão de intensidade entre os planos de cristal (200) e (111) em relação ao revesti- mento que não apresenta adição intencional de oxigênio. Em ambos os ca- sos, a razão está em torno de 0,30, conforme mostrado pela comparação do revestimento das amostras 4 e 5 com o revestimento das amostras 1 a 3 na tabela 1 e também pela comparação do padrão de difração na figura 3 com o padrão de difração na figura 2. A avaliação funcional de tal revestimento, conforme demonstrado pelo exemplo 1, mostrou resistência insuficiente à geração de fraturas de superfície e perdas localizadas de partes do revesti- mento. Uma maior adição de gás oxigênio ao gás nitrogênio reagente leva à formação do revestimento de CrN tendo 10,4% em peso de oxigênio. O re- vestimento apresentou uma razão de intensidade entre o plano de cristal (111) e o plano de cristal (200) de 0,14, como exemplificado pelo revesti- mento da amostra 7 na tabela 1. Esse revestimento reflete o estado da téc- nica apresentada no documento de patente US 6.149.162, onde é preconce- bido que uma adição de 0,5 a 20,0% em peso de oxigênio dá origem a um revestimento com estrutura predominante de cristal (200). A avaliação fun- cional de tal revestimento, conforme apresentada no exemplo 3, mostrou resistência insuficiente à geração de fraturas de superfície e as conseqüen- tes perdas localizadas de partes do revestimento.

Surpreendentemente, o revestimento com teor de oxigênio entre aproximadamente 1,0 a 7,0 por cento em peso de oxigênio levou a uma ra- zão de intensidade de planos de cristal (111) para (200) substancialmente mais alta que a descrita anteriormente, mostrando uma maior presença de planos de cristal (111). Conforme explicado anteriormente, esse maior equi- líbrio entre as presenças de planos de cristal (111) a (200) é desejado. A razão de intensidade típica de 0,50 descoberta para esses revestimento ten- do aproximadamente 1,0% a 7,0% em porcentagem em peso de oxigênio é substancialmente superior aos valores observados de 0,05 a 0,30 obtidos com a adição intencional de oxigênio, resultando em um teor de oxigênio no revestimento superior a aproximadamente 7,0% em peso ou com adição in- tencional ou sem oxigênio adicional resultando em teores de oxigênio no revestimento inferiores até aproximadamente 1,0% em peso. Os revestimen- tos de nitreto de cromo CrN com maiores razões de intensidade, na faixa de 0,40 a 0,70 e preferivelmente 0,45 a 0,65, são exemplificados pelo revesti- mento das amostras 8 a 12 na tabela 1 e pelo padrão de difração nas figuras 4 e 5. Essas amostras correspondem ao escopo da presente invenção.

A avaliação funcional das amostras de revestimento 8 a 12, a- presentada nos exemplos 2 e 3, respectivamente, apresenta uma ausência de microfraturas em sua superfície, demonstrando que um aumento na inci- dência de planos de cristal (111) paralelos à superfície de revestimento de CrN e um melhor equilíbrio entre esses planos e os planos de cristal (200) produzem um desempenho superior de revestimento do nitreto de cromo.

O estado da técnica descrito anteriormente, representado por uma predominância de planos de cristal (200) e pelo teor de oxigênio no re- vestimento na faixa de 0,5 a 20,0 por cento em peso, define um comporta- mento homogêneo ajustado na função cristalina. A presente invenção de- monstra que um revestimento tendo um equilíbrio específico entre a incidên- cia de planos de cristal (111) e planos de cristal (200) apresenta um compor- tamento funcional superior e que apenas uma estreita faixa, de aproxima- damente 1,0 a 7,0 por cento em peso de oxigênio, é capaz de fornecer um revestimento com estrutura de cristal objetivado pela presente invenção.

A transição da estrutura de cristal de um revestimento de nitreto de cromo CrN com predominância de planos de cristal (200) paralelos à su- perfície para uma estrutura de cristal com um equilíbrio otimizado entre pla- nos de cristal (111) e (200) não é alcançado com um teor de oxigênio teórico e preciso no revestimento. Da mesma forma, técnicas experimentais têm certa dispersão, sendo necessário definir uma faixa funcional de oxigênio para o alcance do produto da presente invenção como aproximadamente 1,0 por cento em peso até aproximadamente 7,0 por cento em peso de oxigênio do revestimento. Essa necessidade está claramente em evidência pela com- paração do revestimento das amostras 6 e 12, representando respectiva- mente o estado da técnica, com 7,3 por cento em peso de oxigênio no reves- timento e com razão de intensidade entre os planos de cristal (111) e (200) de 0,04 e representando o escopo da presente invenção com 6,8 por cento em peso de oxigênio no revestimento e com razão de intensidade entre pla- nos de cristal (111) e (200) de 0,51. Da mesma forma, para o nível inferior da faixa de teor de oxigênio, a comparação do revestimento das amostras 5 e 8, representando respectivamente o estado da técnica co 0,8 por cento em peso de oxigênio no revestimento e com razão de intensidade entre os pla- nos de cristal (111) e (200) de 0,30 e representando o escopo da presente invenção com 1,2 por cento em peso de oxigênio no revestimento e com ra- zão de intensidade de planos de cristal (111) e (200) de 0,51. A figura 8 a- presenta uma correlação entre o teor de oxigênio no revestimento e a razão de intensidade entre os planos de cristal (111) e (200), ilustrando o escopo da presente invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

Outros objetivos e características da presente invenção tornar- se-ão aparentes das descrições detalhadas a seguir consideradas em cone- xão com os desenhos anexos. Deve ser entendido, entretanto, que os dese- nhos são projetados apenas como uma ilustração apenas e não como uma definição dos limites da invenção. A figura 1 ilustra uma seção transversal de um anel de segmento mostrando o material base e as possíveis camadas descritas nas configura- ções da presente invenção:

1. Material base de aço ou de ferro fundido

2. gabinete nitrificado opcional

3. Camada de aglutinação opcional

4. Camada intermediária opcional

5. Camada de nitreto de cromo

A figura 2 mostra o padrão de difração de raios X obtido com tubo de Cr do revestimento de CrN sem adição externa de oxigênio, mas tendo um teor residual de 0,3% de oxigênio.

A figura 3 mostra o padrão de difração de raios X obtido com um tubo de Cr do revestimento de CrN tendo 0,7% em peso de oxigênio obtido pela adição externa de oxigênio.

A figura 4 mostra o padrão de difração de raios X obtido com um tubo de Cr do revestimento de CrN tendo 1,3% em peso de oxigênio obtido por adição externa de oxigênio.

A figura 5 mostra o padrão de difração de raios X obtido com um tubo de Cr do revestimento de CrN tendo 2,7% em peso de oxigênio obtido pela adição externa de oxigênio.

A figura 6 mostra o padrão de difração de raios X obtido com um tubo de Cr do revestimento de CrN tendo 4,3% em peso de oxigênio obtido pela adição externa de oxigênio.

A figura 7 mostra o padrão de difração de raios X obtido com um tubo de Cr do revestimento de CrN tendo 7,3% em peso de oxigênio obtido pela adição externa de oxigênio.

A figura 8 mostra um gráfico da correlação entre a razão de in- tensidade de raios X dos planos (111) e (200) e o teor de oxigênio no reves- timento.

DESCRIÇÃO DAS CONFIGURAÇÕES PREFERIDAS

A seguir são descritos alguns exemplos de execução do escopo da invenção descrita antes, bem como a avaliação funcional desses exemplos em comparação com as execuções que reproduzem o estado da técnica.

Protótipos de anéis de segmento tendo um diâmetro de 128 mm, uma altura de 3,0 mm, uma largura radial de 4,5 mm, para um motor a diesel de carga pesada 450KW foram produzidos em aço inoxidável martensítico tendo 17% de Cr, opcionalmente nitrificado, moído em sua face externa, de- sengraxado e montado em um dispositivo adequado para receber em sua face periférica externa um revestimento de nitreto de cromo tendo uma es- trutura de cristal de CrN. esse revestimento foi depositado em um processo de vácuo pelo vapor físico gerado pelo equipamento de arco catódico indus- trial - revestidor Hauzer HTC750.

Após a execução de vácuo na câmara até a pressão de aproxi- madamente 5.10 3Pa (5 χ 10"5 mbar), as partes foram aquecidas até 450EC. Na seqüência, foi introduzido gás argônio em um fluxo controlado, estabili- zando a pressão na câmara a vácuo, com o objetivo de executar uma caus- ticação com tensão de polarização entre os anéis e o anodo de -(menos) 900V. Após a causticação, foi introduzido gás nitrogênio na câmara com um fluxo controlado estabilizando a pressão da câmara entre valores de 1 Pa até 10 Pa (1x10 2 até 1x101 mbar). Para a deposição do revestimento de nitreto de cromo tendo oxigênio, uma mistura controlada foi introduzida na câmara de vácuo com um fluxo controlado estabilizando a pressão da câma- ra entre valores de 1 Pa até 10 Pa (1x10"2 a 1x101 mbar). A deposição ocor- reu com uma corrente catódica de 220 A e voltagem entre os anéis e o cato- do de -(menos) 15 V. Após a deposição, as partes foram resfriadas até 220°C, antes da câmara de vácuo ser descarregada.

As amostras de revestimento 4 a 12 na tabela 1 têm adição in- tencional de teor de oxigênio na faixa de 0,7 a 10,4 por cento em peso e a pressão total e a voltagem entre os anéis e os parâmetros de anodo foram mantidos constantes, mas não significa que eles não possam ser trocados para a obtenção da estrutura de cristal do escopo da presente invenção. As amostras de revestimento 1 a 3 representam a execução do nitreto de cromo como aplicação industrial sem adição intencional de oxigênio. A tabela 1 a- presenta uma avaliação da intensidade de contagem de planos de cristal (111) e (200) obtida por difração de raios X, bem como a razão de intensida- de de planos de cristal (111) a (200) de todas as amostras produzidas. Os exemplos a seguir avaliarão a funcionalidade no teste do motor de algumas dessas amostras. <table>table see original document page 14</column></row><table> Exemplo 1

Com o método acima mencionado, foram produzidos anéis de segmento representado pelos revestimentos de amostras 1, 2 e 4 na tabela 1. Dois anéis de cada condição foram montados em um motor a Diesel de carga pesada de 6 cilindros 450KW. Os anéis foram submetidos a um teste de choque térmico acelerado em uma célula de dinamômetro por 500 horas, onde as condições do revestimento e da deformação térmica do bloco, exce- to as severas condições em relação à ruptura da película de óleo, são parti- cularmente bem preparadas para a geração de alta carga na superfície re- vestida dos anéis de segmento. A avaliação visual e metalúrgica dos anéis após o teste foi conduzida e pode ser vista na tabela 2.

Os anéis das amostras de revestimento 1 e 2 na tabela 1 são representativas do estado da técnica, e eles têm um teor de oxigênio residu- al no revestimento que não foi originado de qualquer adição intencional de oxigênio. Esses revestimentos apresentam uma predominância de planos de cristal (200) orientados paralelamente à superfície do revestimento, e têm uma razão de intensidade entre os planos de cristal (111) e (200) de 0,20 e 0,33, respectivamente, ambos os anéis apresentaram incidência de micro- fraturas no revestimento e perdas localizadas de partes do revestimento, sendo uma referência para a avaliação dos revestimentos que tenham teo- res de oxigênio não originados por adição intencional.

Dois anéis da amostra de revestimento 4 foram produzidos com o processo acima mencionado, onde foi adicionada um pequeno e controla- do fluxo de oxigênio ao gás nitrogênio reagente. O revestimento produzido apresentou os resultados relatados na tabela 1 e é representativo do estado da técnica em relação à predominância de planos de cristal (200) orientados paralelamente à superfície do revestimento e apresentando uma razão de intensidade entre os planos de cristal (111) e (200) de 0,30. Ambos os anéis apresentaram incidência de microfraturas no revestimento e perdas Iocaliza- das de partes do revestimento similares aos anéis das amostras de revesti- mento 1 e 2, demonstrando um comportamento similar e alinhado ao nível de razão de intensidade entre os planos de cristal (111) e (200). Os resultados levaram à conclusão de que um revestimento de nitreto de cromo com estrutura de CrN e tendo um teor de oxigênio inferior a aproximadamente 1,0 por cento em peso, caracterizado pela predominância de planos de cristal (200) paralelos à superfície do revestimento e tendo uma razão de intensidade entre os planos de cristal (111) e (200) inferior a apro- ximadamente 0,30 , apresentam incidência de microfraturas no teste de mo- tor descrito acima.

Tabela 2: Avaliação visual e metalúrgica dos anéis após o teste do motor.

<table>table see original document page 16</column></row><table>

Exemplo 2

Com o método mencionado acima, foram produzidos anéis de segmento representados pelos revestimentos de amostra 4, 8 e 12 na tabela 1. Dois anéis de cada condição foram montados em um motor a Diesel de carga pesada de 6 cilindros 450KW. Os anéis foram submetidos a um teste de choque térmico acelerado em uma célula de dinamometro por 500 horas, em condições idênticas às do exemplo 1. Foi conduzida a avaliação visual e metalúrgica dos anéis após o teste e pode ser vista na tabela 3.

Anéis representativos da amostra de revestimento 4 na tabela 1 foram tiradas do mesmo lote das amostras usadas no exemplo 1 e são repre- sentativos do estado da técnica. Ambos os anéis apresentaram incidência de microfraturas no revestimento e perda localizada de partes do revestimento.

Os anéis representativos das amostras de revestimento 8 e 12 na tabela 1 foram produzidos com o processo acima mencionado, onde foi adicionado um fluxo de gás oxigênio ao gás nitrogênio reagente. Esses re- vestimentas foram intencionalmente selecionados para cobrir a faixa de teor de oxigênio no revestimento definido na presente invenção, de aproximada- mente 1,0 a 7,0 por cento em peso de oxigênio. Com esses teores de oxigê- nio, os revestimentos apresentaram uma razão de intensidade de planos de cristal (111) para (200) de 0,51 , e conseqüentemente apresentando o equi- librio almejado na presente invenção entre planos de cristal (111) e (200) paralelos à superfície do revestimento. Todos os anéis de ambas as amos- tras 8 e 12 apresentaram ausência de microfraturas após o teste do motor. Esse resultado demonstra a importância de se ter uma quantidade específi- ca de planos de cristal (111) juntamente com planos de cristal (200).

O resultado levou à conclusão de que um revestimento de nitreto de cromo de cristal CrN com razão de intensidade entre planos de cristal (111) e (200) de cerca de 0,51 apresenta uma resistência superior à inicia- ção de microfraturas na superfície do revestimento em comparação ao re- vestimento de nitreto de cromo com uma razão de intensidade entre planos de cristal (111) e (200) de menos de aproximadamente 0,30.

Tabela 3: Avaliação visual e metalúrgica dos anéis após o teste do motor.

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Exemplo 3

Com o método acima mencionado, foram produzidos anéis de segmento representados pelos revestimentos de amostra 4, 7 e 12 na tabela 1. Dois anéis de cada condição foram montados em um motor a Diesel de carga pesada de 6 cilindros 450KW. Os anéis foram submetidos a um teste de choque térmico acelerado em uma célula de dinamômetro por 500 horas, em condições idênticas às dos exemplos 1 e 2. Foi conduzida a avaliação visual e metalúrgica dos anéis após o teste e pode ser vista na tabela 4.

Anéis representativos da amostra de revestimento 4 na tabela 1 foram tiradas do mesmo lote das amostras usadas nos testes de motor dos exemplos 1 e 2 e são representativas do estado da técnica, conforme men- cionado anteriormente. Ambos os anéis apresentaram incidência de micro- fraturas no revestimento e perdas localizadas de partes do revestimento.

Os anéis representativos das amostras de revestimento 7 e 12 na tabela 1 foram produzidos com o processo acima mencionado, onde um fluxo controlado de gás oxigênio foi adicionado ao gás nitrogênio reagente. Esses revestimentos foram intencionalmente para representar, respectiva- mente, um revestimento de nitreto de cromo do estado da técnica com uma predominância de planos de cristal (200) paralelos à superfície do revesti- mento e com razão de intensidade entre os planos de cristal (111) e (200) de 0,13 , e um revestimento de nitreto de cromo, do escopo da presente inven- ção, tendo uma mistura de planos (111) e (200), representado por uma ra- zão de intensidade de planos de cristal (111) e (200) de 0,51. Anéis repre- sentativos a amostra de revestimento 7 apresentaram uma incidência de microfraturas e perda localizada de partes do revestimento após o teste do motor. Anéis representativos da amostra de revestimento 12 apresentaram ausência de microfraturas, reproduzindo o resultado observado no teste de motor do exemplo 2. Esse resultado enfatiza a importância de se ter uma quantidade específica de planos de cristal (111) juntamente com planos de cristal (200), evitando uma predominância de planos de cristal (200) confor- me definido no estado da técnica.

Os resultados levam à conclusão de que as características mais importantes que influenciam o comportamento do nitreto de cromo em rela- ção à iniciação das microfraturas não é o teor de oxigênio no revestimento, mas a estrutura cristalina do mesmo, que deve ter um teor mínimo de planos de cristal densos (111) paralelos à superfície do revestimento. O teor de oxi- gênio no revestimento é importante para provocar a formação dessa estrutu- ra cristalina. A estrutura cristalina desejada pode apenas ser obtida através de uma faixa definida de teor de oxigênio no revestimento.

Tabela 4: Avaliação visual e metalúrgica dos anéis após o teste do motor.

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Conseqüentemente, enquanto apenas umas poucas configura- ções da presente invenção tenham sido mostradas e descritas, é óbvio que muitas mudanças e modificações podem ser feitas nas mesmas sem sair do espírito e do escopo da invenção.

Claims

1. Anel de segmento para motores de combustão interna, com- preendendo: um material base de aço ou de ferro fundido; e um revestimento de nitreto de cromo depositado por um proces- so de deposição de vapor físico em uma superfície deslizante do anel de segmento, onde o revestimento é composto de uma estrutura cristalina co- lunar com as seguintes características: (a) üm teor de oxigênio na solução sólida de 1,0 a 7,0% em pe- so; (b) um teor de microporos dispersos uniformemente de menos de 10% em volume do revestimento; e (c) uma razão de intensidade de difração de raios X de planos (111) para planos (200) paralelos ao substrato na faixa de 0,40 a 0,70.

2. Anel de segmento conforme de acordo com a reivindicação 1, onde a razão de intensidade de difração de raios X está entre 0,45 e 0,65.

3. Anel de segmento de acordo com a reivindicação 1, onde o revestimento tem uma dureza Vickers de cerca de 1.500 a 2.000 HV.

4. Anel de segmento de acordo com a reivindicação 1, onde o revestimentõ tem uma espessura de cerca de 5 a 80 mícrons.

5. Anel de segmento de acordo com a reivindicação 1, onde o material base é feito de aço tendo 10 a 17% de cromo.

6. Anel de segmento de acordo com a reivindicação 1, onde o material base de aço é nitrificado.

7. Anel de segmento de acordo com a reivindicação 1, onde o material base é feito de ferro fundido nitrificado.

8. Anel de segmento de acordo com a reivindicação 1, também compreendendo uma camada aglutinante intermediária de cromo, níquel ou cobalto, depositada entre o material base e o revestimento.