BRPI1100176A2 - componente de motor - Google Patents
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Abstract
COMPONENTE DE MOTOR. A presente invenção objetiva solucionar a problemática dos revestimentos de componentes de motor (bloco de motor ou camisas, fixas ou removíveis) dotados de pelo menos um cilindro e constituídos primordialmente por ferro ou alumínio, dotando-os de um revestimento (3) que se apresenta subdividido em três diferentes camadas que estão depositadas em cima do substrato (1) metálico, são elas uma primeira subcamada (21) compreendendo pelo menos 80% de silicio depositado no substrato (1) com a função de promover uma interface com boa adesão entre o substrato (1) metálico e as subcamadas subsequentes que contêm carbono amorfo hidrogenado, uma segunda subcamada (22) de transição compreendendo uma porcentagem de silício e de carbono amorfo hidrogenado (a-C:H:Si) e, por fim, na superfície de trabalho, uma terceira subcamada (23) dotada de uma composição pura de carbono amorfo hidrogenado(a-C:H), sendo que tal revestimento (3) é gerado pelo efeito de cátodo oco (HCE) através de deposição química de vapor potencializada por plasma (PECVD).
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "COMPO- NENTE DE MOTOR".
A presente invenção refere-se a um cilindro de um bloco do mo- tor ou de uma camisa removível de um motor de combustão interna dotado de um revestimento de carbono amorfo aplicado via deposição química em fase de vapor sendo que o revestimento compreende uma camada de tran- sição contendo silício, o revestimento sendo realizado com vista a diminuir o coeficiente de fricção do cilindro com seus respectivos anéis de pistão, me- lhorar a resistência ao desgaste e evitar corrosão do cilindro. Descrição do Estado da Técnica
Cilindros de blocos do motor ou de camisas removíveis de moto- res de combustão interna são componentes de motor que sofrem elevado desgaste devido ao tipo de trabalho que desempenham.
Com o desenvolvimento tecnológico de novos motores, seus componentes internos têm sofrido maior solicitação e, nesse sentido, neces- sitam apresentar soluções capazes de não só garantir melhor desempenho, como também contribuir para uma maior confiabilidade do motor.
É com base nesse princípio que diversos fabricantes têm busca- do alcançar diversas soluções técnicas, nomeadamente para cilindros de blocos do motor ou de camisas removíveis de motores de combustão inter- na.
Uma das possíveis soluções que permite melhorar o desempe- nho de cilindros de blocos do motor ou de camisas removíveis de motores de combustão interna é dotar a superfície interna dos cilindros de um reves- timento.
Entre os diversos revestimentos possíveis e disponíveis nos dias de hoje, o revestimento com carbono amorfo (a-C:H) apresenta um bom po- tencial no que diz respeito à diminuição do coeficiente de atrito da superfície de trabalho, o que permite diminuir o desgaste da superfície de contato e evitar corrosão da superfície protegida. No entanto, o revestimento com car- bono amorfo, assim como os revestimentos em geral, necessita de uma boa adesão ao substrato em que são depositados. No caso do carbono amorfo aplicado no revestimento de cilin- dros de blocos do motor ou de camisas removíveis de motores de combus- tão interna, existem algumas dificuldades tanto no método utilizado para efe- tuar a deposição do revestimento sobre o substrato, como na garantia de uma deposição com boa adesão.
Por um lado, a própria forma geométrica de um cilindro dificulta, por si só, a deposição de um revestimento na sua porção interna. Um anel de pistão, por exemplo, tem a sua face de trabalho facilmente exposta, o que permite efetuar um revestimento com uma facilidade não permitida por um cilindro de um bloco de motor ou de uma camisa removível. Adicionalmente, supondo que se quer revestir os cilindros de um bloco de motor, o processo de deposição torna-se ainda mais complexo dado o tamanho de um bloco de motor e a sua respectiva maneabilidade face a elementos mais simples co- mo bielas, anéis de pistão, etc.
As dificuldades expostas no tocante à eficiência na aplicação dos revestimentos nas superfícies de trabalho de cilindros são ainda agrava- das pelo fato de os revestimentos de carbono amorfo apresentarem algumas dificuldades no que diz respeito à sua adesão nos substratos metálicos. Pro- va disso são os esforços do estado da técnica no sentido de solucionar tais problemas.
Entre os vários documentos do estado da técnica que sugerem o uso de carbono amorfo para revestimento de cilindros, o documento de pa- tente EP 1783349 é o documento do estado da técnica mais relevante para a presente invenção pelo fato de revelar o uso de um revestimento de car- bono amorfo com silício (DLC-Si), sugerindo também a aplicação em pis- tões, anéis de pistão, cilindros e pinos de pistão.
Este documento expõe algumas das vantagens dos revestimen- tos de DLC, tais como reduzir o coeficiente de fricção e, consequentemente, diminuir o desgaste das peças, particularmente quando as peças são utiliza- das em condições que se encontrem em contato com óleos lubrificantes para que não dependam da adsorção ou de reações aos aditivos presentes nos fluidos lubrificantes. O documento descreve ainda testes comparativos com peças que receberam três tipos diferentes de revestimento: carbono amorfo com silício (DLC-Si), apenas carbono amorfo (DLC) e nitreto de cromo (CrN). Os testes revelaram que o atrito entre duas peças dotadas de um revestimento de carbono amorfo com silício (DLC-Si/DLC-Si) apresentaram pelo menos 40% de redução do coeficiente de fricção quando comparadas com qualquer outro tipo de interface de revestimento.
Com o intuito de melhorar a adesão do revestimento ao substra- to metálico, o revestimento apresenta de 1% a 20% de silício na sua compo- sição. Particularmente, no que diz respeito a cilindros, o documento revela que o revestimento pode ser aplicado em cilindros de alumínio e ferro fundi- do, tanto a cilindros que fazem parte integrante do bloco de motor ou em camisas de cilindro com apenas uma camada de carbono amorfo que com- preenda silício entre 1% a 20%. Por outras palavras, a porção de trabalho de revestimento de carbono amorfo sempre apresentará uma porcentagem do elemento silício (a-C:H:Si).
Muito embora o documento não revele qual a dimensão máxima que um cilindro deverá ter, enfatiza que para uma relação entre o compri- mento e o diâmetro do cilindro superior a 0,8 existem vantagens quando o filme é formado através de um método de plasma por CVD em corrente con- tínua.
Adicionalmente, o documento indica que para situações de tra- balho em que as pressões de deslizamento são elevadas, algo como 100MPa ou mais, é provável que o revestimento possa destacar-se da su- perfície interna do cilindro, revelando que mesmo utilizando o elemento silí- cio para ajudar à adesão do revestimento, continua existindo dificuldade de adesão.
Resta assim claro que documento de patente EP 1783349, muito embora apresente a possibilidade da aplicação de revestimentos de carbono amorfo em cilindros e suas vantagens, tenta também resolver um problema relativo à adesão do revestimento ao substrato utilizando o silício para essa função. De todo o modo, o próprio documento apresenta as limitações existentes no revestimento de cilindros com DLC. A dificuldade que a falta de exposição de um cilindro oferece para receber a deposição do revesti- mento frente às tecnologias de deposição empregues é um importante en- trave ao sucesso da tecnologia apontada pelo documento.
É assim evidente a dificuldade exposta por este documento, e pelas tecnologias do estado da técnica, em depositar um revestimento de carbono amorfo (a-C:H) nas paredes internas de cilindros de um bloco de motor ou de camisas removíveis. Tal dificuldade tem explicação devido à inevitável falta de exposição que as paredes internas dos cilindros apresen- tam. Se atentarmos que os métodos de deposição até hoje utilizados, depo- sição química em fase de vapor (CVD) ou deposição física em fase de vapor (PVD), bombardeiam as paredes internas dos cilindros desde uma posição externa ao cilindro, fica ainda mais evidente o problema da falta de exposi- ção de um cilindro.
Tal dificuldade de deposição certamente terá grande impacto na homogeneidade do revestimento depositado no substrato. Consequente- mente, é sabido que um revestimento com uma deposição não homogênea não irá desempenhar adequadamente a função protetora da superfície, sen- do necessário aumentar a espessura do revestimento para garantir uma total proteção da superfície, isto levará à ocorrência de stress interno do revesti- mento, o que inevitavelmente diminui a sua resistência ao destacamento.
Assim, por maiores avanços que ocorram na composição quími- ca de revestimentos de cilindros com DLC, faz-se necessário um avanço tecnológico no sentido de que se promovam deposições de material com maior homogeneidade.
O documento de patente do estado da técnica EP 1619265 a- presenta uma tecnologia que, embora aplicada em outro campo, apresenta grande relevância na deposição de revestimentos de carbono amorfo no in- terior de geometrias com forma tubular.
Este documento revela um processo e o sistema para revestir com filme de DLC, superfícies internas de tubagens pré-fabricadas. O reves- timento é realizado fazendo com que a peça funcione como um cátodo com a ligação de um anodo a cada uma das entradas da peça. Uma fonte de gás é introduzida em uma das extremidades e na outra é instalada uma bomba de vácuo, de modo que o conjunto seja montado para manter uma condição que apresente o efeito de cátodo oco (HCE).
A tecnologia exposta por este documento apresenta um proces- so absolutamente distinto daqueles utilizados até então pelo estado da téc- nica. Naturalmente que sua aplicação se destina ao revestimento de tubula- ções, no entanto abre a porta para um novo conceito de deposição de DLC no interior de formas tubulares.
Ademais, mesmo que os problemas apresentados fossem parci- almente solucionados, restam alguns fatores de ordem produtiva que não foram ainda objeto de maiores estudos pelo estado da técnica, sendo que um dos mais importantes diz respeito à homogeneidade do revestimento, diz respeito à velocidade das taxas de deposição do carbono amorfo na superfí- cie interna de cilindros de motores de combustão interna.
Assim, cumpre notar que não existe ainda uma solução tecnoló- gica para o revestimento de componentes de motor dotado de pelo menos um cilindro no interior do qual se movimenta um pistão com carbono amorfo que alcance boa adesão do revestimento aliada a um processo que seja e- conomicamente viável e altamente produtivo, culminando em um cilindro dotado de características técnicas superiores que permitam o desenvolvi- mento da indústria de motores. Objetivos da Invenção É, portanto, um objetivo da presente invenção prover um reves-
timento do tipo carbono em uma superfície de trabalho de um cilindro de um motor de combustão capaz de alcançar elevada adesão devido à presença de uma camada intermediária que contém silício.
É também um objetivo da presente invenção, garantir um reves- timento dotado de baixo coeficiente de atrito, elevada dureza mecânica, bai- xo desgaste e baixa corrosão. Breve Descrição da Invenção Os objetivos da presente invenção são alcançados através da provisão de um componente de motor dotado de pelo menos um cilindro no interior do qual se movimenta um pistão, o cilindro compreendendo uma su- perfície interna dotada de um substrato de base metálica ao qual é aplicado pelo menos um revestimento compreendendo uma primeira subcamada ad- jacente ao substrato, a primeira subcamada compreendendo no mínimo 80% de silício com difusão para o substrato, uma segunda subcamada de transi- ção disposta entre a primeira subcamada e a terceira subcamada, a segun- da subcamada sendo composta de carbono amorfo hidrogenado e silício e uma terceira subcamada sobreposta à segunda subcamada compreendendo substancialmente 100% de carbono amorfo hidrogenado, o revestimento sendo depositado no substrato metálico por plasma gerado pelo efeito de cátodo oco.
Breve Descrição dos Desenhos A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente descri-
ta com base em exemplos de execução representados nos desenhos. As figuras mostram:
A figura 1 - é um esquema do revestimento da presente inven- ção.
A figura 2 - é uma distribuição dos elementos químicos presen-
tes no revestimento da presente invenção; Descrição Detalhada das Figuras
A presente invenção propõe um revestimento 3 de carbono na forma de diamante (DLC) aplicado em componentes de motor (blocos de motor dotados de pelo menos um cilindro ou camisas de motor, fixas ou re- movíveis) definindo pelo menos um cilindro no interior do qual se movimenta um pistão de cilindro.
A presente invenção busca alcançar um revestimento 3 que a- presente um baixo coeficiente de atrito, capaz de garantir menos desgaste na superfície de contato/trabalho garantindo uma boa adesão do revestimen- to 3 ao substrato 1.
De modo a ultrapassar os problemas do estado da técnica, a presente invenção propõe uma solução tecnológica que agrega um revesti- mento 3 de carbono amorfo hidrogenado (a-C:H), dotado de uma composi- ção química inovadora, a um método de deposição do revestimento 3 que permite alcançar características extremamente vantajosas tanto ao nível do produto quanto da produção.
A figura 1 representa uma porção de um cilindro após ter recebi- do o revestimento 3 da presente invenção (quer oriundo de um bloco de mo- tor, quer de uma camisa fixa ou removível). Para melhor entendimento, o cilindro que será submetido ao revestimento 3 da presente invenção é dota- do, em sua face interna, de uma porção que irá receber o revestimento 3 sendo que tal porção será doravante denominada substrato 1. O substrato 1 dos cilindros da presente invenção é, preferencialmente, de base metálica, constituídos primordialmente por ferro fundido, aço ou alumínio. De modo preferencial, mas não obrigatório, o substrato 1 pode ser de ferro fundido nodular perlítico.
O revestimento 3 apresenta-se subdividido em três diferentes subcamadas que estão depositadas em cima do substrato 1. Uma primeira subcamada 21 compreendida por pelo menos 80% de silício é depositada no substrato 1 com a função de promover uma interface com boa adesão entre o substrato 1 metálico e as subcamadas subsequentes que contêm carbono amorfo hidrogenado.
Após a primeira subcamada 21 de silício, é depositada uma se- gunda subcamada 22 de transição que contém, uma porcentagem de silício e de carbono amorfo hidrogenado (a-C:H:Si). Por fim, na superfície externa ou superfície de trabalho, o revestimento 3 apresenta uma terceira subca- mada 23 dotada de uma composição pura de carbono amorfo hidrogenado (a-C:H), de substancialmente 100% de a-C:H, esta terceira subcamada 23 estende-se, preferencialmente, até 1 micrometro de profundidade.
O revestimento 3 é, portanto, composto por três subcamadas distintas, são elas: uma primeira subcamada 21 que compreende no mínimo 80% de silício, seguida de uma segunda subcamada 22 de transição que compreende silício e carbono amorfo hidrogenado e, por fim, uma terceira subcamada 23 contendo 100% carbono amorfo hidrogenado.
Nota-se ainda que a segunda subcamada 22 de transição apre- senta uma quantidade de silício que diminui, à medida que o revestimento 3 se aproxima da terceira subcamada 23. Analogamente, a segunda subca- mada 22 de transição apresenta um aumento de carbono amorfo hidrogena- do, à medida que o revestimento se aproxima da terceira subcamada 23, terminando com uma quantidade de 100% de carbono amorfo hidrogenado na terceira subcamada 23. Em função da composição do revestimento 3 da presente invenção, pode-se dizer que a segunda subcamada 22 está dispos- ta entre a primeira subcamada 21 e a terceira subcamada 23 compreende quantidades de carbono amorfo hidrogenado e silício que variam de modo inversamente proporcional entre si a partir da primeira subcamada 21 e da terceira subcamada 23 e que tal variação ocorre gradativamente. Por outras palavras, à medida que ocorre um afastamento da primeira subcamada 21, a quantidade de silício no revestimento 3 sempre decrescerá e a quantidade de carbono amorfo hidrogenado sempre aumentará até chegar aos 100% na terceira subcamada 23 (vide figura 2).
A presença do elemento silício de modo gradativo tem por obje- tivo promover uma melhor adesão entre o substrato 1 metálico e a terceira subcamada 23 de carbono amorfo hidrogenado. Devido às condições de deposição, a primeira subcamada 21, adjacente ao substrato 1, pode ser confundida com este, de modo que os elementos que compõe a primeira subcamada 21 apresentem difusão para o interior do material que compõe o substrato 1. Este detalhe pode ser observado na figura 2, estando represen- tado pela região à esquerda da linha I a qual representa a transição entre a primeira subcamada 21 e o substrato 1. Esta difusão ocorrerá também para a segunda subcamada 22 composta de carbono amorfo hidrogenado.
Note-se que a composição química do revestimento 3 da pre- sente invenção e suas notáveis vantagens só foi possível ser alcançada em face da tecnologia de deposição utilizada.
Assim, o revestimento 3 de carbono na forma de diamante faz uso de um princípio tecnológico semelhante ao apresentado pelo documento de patente EP 1783349. Alternativamente, o revestimento 3 pode ser deposi- tado por qualquer outro princípio tecnológico contanto que fiquem garantidas as propriedades do revestimento 3 apresentado, isto é, de um revestimento 3 compreendendo três subcamadas 21, 22, 23, que são: uma primeira sub- camada 21 adjacente ao substrato 1 metálico para nucleação/aderência com silício, uma segunda subcamada 22 de transição dotada de silício e carbono amorfo hidrogenado sobreposta à primeira subcamada 21 e, por fim, uma terceira subcamada 23 de 100% carbono amorfo hidrogenado sobreposta à segunda subcamada 22.
De modo preferencial, mas não obrigatório, o revestimento 3 descrito é alcançado por meio de uma nova técnica no revestimento de su- perfícies internas condutoras que permite a deposição gerada pelo efeito de cátodo oco (HCE) através de deposição química de vapor potencializada por plasma (PECVD).
O revestimento 3 da superfície interna do cilindro é realizado pe- la ligação a uma fonte de voltagem de forma que a peça funcione como um cátodo e pela ligação de um ânodo a cada uma das duas entradas da peça. Subseqüentemente, é introduzida uma fonte de gás em uma abertura de entrada, sendo ligada uma bomba de vácuo em uma abertura oposta de saí- da. O revestimento 3 ocorre monitorando-se a pressão no interior do cilindro e a informação da pressão resultante é utilizada para manter uma condição que apresente o efeito de cátodo oco. Pode ainda ser realizada uma limpeza prévia com hidrocarbonetos, bem como pela aplicação de uma fonte negati- va ao cilindro de forma a pulverizar os contaminantes da peça através do uso de gás, por exemplo, argônio. No caso, podem ser usados como precur- sores hidrocarbonetos (C2H2) para depositar os revestimentos 3 de DLC visto serem inertes e possuírem elevada resistência à corrosão.
Muito embora este princípio possa ser aplicado a qualquer re- vestimento em metal, cerâmica ou DLC que possua as propriedades deseja- das, o revestimento 3 da presente invenção fez uso de DLC com ligações sp3 (tipo diamante), proporcionando um revestimento duro 3 na superfície de trabalho, dotado de baixa fricção, com excelente adesão e resistência à cor- rosão.
Foi assim utilizado carbono amorfo com o silício, sendo que o elemento silício foi utilizado com sucesso como um dopante utilizado em a- dição à matriz de DLC1 melhorando a estabilidade térmica do revestimento 3 e contribuindo para a redução da tensão de compressão.
Naturalmente, a presente invenção permite um sem número de variáveis, de todo o modo, seus excelentes resultados são alcançados man- tendo as elevadas densidades de plasma através do uso de corrente contí- nua (CC) bipolar assimétrica, permitindo alcançar taxas de deposição na ordem de pelo menos 1 micrometro por minuto. Note-se que os processos tradicionais revelados pelo estado da técnica são capazes de alcançar taxas de deposição na ordem de 1 micrometro por hora. Assim, a presente inven- ção proporciona uma capacidade produtiva notoriamente maior, permitindo taxas de deposição cerca de sessenta vezes superiores ao estado da técni- ca.
Como vantagens, o revestimento 3 da presente invenção não modifica a topografia original do cilindro, garante o alcance de uma redução ao desgaste de pelo menos 50% quando comparado com uma estrutura re- gular de ferro fundido, impede a deposição indesejada de resíduos de car- vão provenientes da combustão incompleta no motor no cilindro e diminui enormemente o coeficiente de atrito face a um anel sem o revestimento 3.
Adicionalmente, o revestimento 3 em causa confere ao cilindro várias propriedades do próprio diamante, tal como por exemplo, elevada du- reza mecânica e inércia química e eletromecânica. Tribologicamente é ex- tremamente atrativo devido à baixa fricção e baixo desgaste, pontos de grande importância nas diversas aplicações mecânicas, especialmente na- quelas que apresentam movimento de deslizamento relativo.
Naturalmente que tais características podem variar imensamente dependendo das condições e do método de deposição. Em função disso, o revestimento 3 da presente invenção pode apresentar uma espessura que varia entre 1 e 25 micrometros, a quantidade de hidrogênio pode variar entre 3 a 40 em porcentagem atômica, sua dureza pode variar entre 7 e 40 giga- pascal (GPa)1 sua adesão medida por teste de riscamento é de no mínimo N, podendo alcançar os 150N, conforme a norma ISO 14577, o stress interno é preferencialmente inferior a 1,5 (GPa). No tocante à rugosidade, muito embora possa apresentar qualquer valor, será preferencialmente infe- rior a 0,3 mícron Rpk, 1 mícron Rk e 3 mícron Rvk.
A presente invenção consegue assim alcançar um produto dota- do de diversas vantagens ao nível de suas propriedades mecânicas, quími- cas, tribológicas, etc, possibilitando ainda uma grande facilidade na produ- ção de tais revestimentos 3 pelo fato de apresentar um método de deposição com alta capacidade produtiva e baixa rejeição.
Tendo sido descrito exemplos de concretizações preferidos, de- ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí- veis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.
Claims (12)
1. Componente de motor dotado de pelo menos um cilindro no interior do qual se movimenta um pistão, o cilindro compreendendo uma su- perfície interna dotada de um substrato (1) de base metálica ao qual é apli- cado pelo menos um revestimento (3), caracterizado pelo fato de que o re- vestimento (3) compreende: - uma primeira subcamada (21) adjacente ao substrato (1), a primeira subcamada (21) compreendendo no mínimo 80% de silício com di- fusão para o substrato; - uma segunda subcamada (22) de transição disposta entre a primeira subcamada (21) e a terceira subcamada (23), a segunda subcama- da (22) sendo composta de carbono amorfo hidrogenado e silício; e - uma terceira subcamada (23) sobreposta à segunda subcama- da (22) compreendendo substancialmente 100% de carbono amorfo hidro- genado, o revestimento (3) sendo depositado no substrato metálico (1) por plasma gerado pelo efeito de cátodo oco.
2. Componente de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as quantidades de carbono amorfo e de silício da segunda subcamada (22) variam de modo gradativo e inversamente proporcional en- tre si a partir da primeira subcamada (21) até a terceira subcamada (23).
3. Componente de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracte- rizado pelo fato de que o substrato é constituído primordialmente por ferro ou aço.
4. Componente de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracte- rizado pelo fato de que o substrato é constituído primordialmente por alumí- nio.
5. Componente de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracte- rizado pelo fato de que o revestimento (3) possui uma espessura que varia entre 1 e 25 mícrons.
6. Componente de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracte- rizado pelo fato de que o revestimento (3) possui uma dureza que varia entre 7 e 40 GPa.
7. Componente de acordo com as reivindicações 1 a 6, caracte- rizado pelo fato de que o revestimento (3) possui uma adesão que varia en- tre 30N e 150N de acordo com o critério do teste de riscamento.
8. Componente de acordo com as reivindicações 1 a 7, caracte- rizado pelo fato de que o revestimento (3) possui tensões internas de no má- ximo 2,5 GPa.
9. Componente de acordo com as reivindicações 1 a 8, caracte- rizado pelo fato de que o efeito cátodo oco promove o revestimento (3) via deposição química de vapor potencializada por plasma (PECVD).
10. Componente de acordo com as reivindicações 1 a 9, caracte- rizado pelo fato de que a taxa de deposição do revestimento (3) é substanci- almente de pelo menos um micrometro/minuto.
11. Componente de acordo com qualquer uma das reivindica- ções anteriores, caracterizado pelo fato de ser um bloco de motor.
12. Componente de acordo com qualquer uma das reivindica- ções anteriores, caracterizado pelo fato de ser uma camisa de motor.
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