BRPI1102336A2

BRPI1102336A2 - elemento dotado de pelo menos uma superfÍcie de deslizamento para uso em um motor de combustço

Info

Publication number: BRPI1102336A2
Application number: BRPI1102336-8A2A
Authority: BR
Inventors: Paulo Jose Da Rocha Mordente; Robert Richard Banfield; Juliano Avelar Araujo; Jose Valentim Lima Sarabanda
Original assignee: Mahle Metal Leve Sa
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2013-06-25
Also published as: CN103917686A; BRPI1102336B1; US9181870B2; WO2012162772A2; CN103917686B; EP2716791B1; JP2014519552A; US20140245987A1; WO2012162772A3; EP2716791A2

Abstract

DISPOSIÇçO CONSTRUTIVA APLICADA EM REBOLOS E LIXAS FLEXÍVEIS. Patente de modelo de utilidade pertencente ao campo dos equipamentos para acabamento de superfícies compreendido por um corpo (1) de resina flexível impregnado com uma camada de abrasivos (2) em suas superfícies.

Description

Relatorio Descritivo da Patente de Invengao para "ELEMENTO DOTADO DE PELO MENOS UMA SUPERFICIE DE DESLIZAMENTO PARA USO EM UM MOTOR DE COMBUSTAO".

A presente invengao refere-se a um elemento que trabalha sob deslizamento em um motor de combustao e que recebe um revestimento a base de cromo por forma a melhorar a sua resistencia ao desgaste, aumen- tando a vida ύΐϊΙ do conjunto. Descricao do Estado da Tecnica

Os motores de combustao interna compreendem iniimeros ele- mentos que sofrem atrito e que por esse motivo sofrem desgaste pelo fato de serem submetidos a severos esforgos quando ο motor esta em funcio- ηειηΐθ 门 to.

Uma das formas de se garantir a resistencia ao desgaste de um elemento que trabalha sob deslizamento, a fim de que ele apresente uma vida Citil elevada/suficiente para os parametros de vida util do motor, e al- cangada com a aplicagao de uma ou mais camadas de revestimento sob re ο metal base com ο qual e constituido. O revestimento, desenvolvido especifi- camente para resistir ao desgaste e a abrasao, mantem as propriedades de desempenho do elemento que trabalha sob deslizamento mesmo apos mi- Ihoes de ciclos de explosao do motor.

Em um motor de combustao interna, alem de cilindros, pistoes e aneis existem diversos elementos dotados de pelo menos uma superficie de deslizamento adicionais que tambem podem receber revestimentos por for- ma a prolongar a vida ύίίΙ da pega. Alguns desses elementos sao bronzinas, camisas de cilindro, componentes do trem de valvulas, etc.

Nesse sentido, existem infindaveis tecnicas utilizando as mais diversas composigoes de revestimento e iniimeros processos de aplicagao, cada qual buscando otimizar as propriedades de desempenho e durabilida- de dos mais diversos tipos e configurag5es de elementos para uso em um motor de combustao interna dotados de uma superficie de deslizamento.

No espirito dos elementos que trabalham sob deslizamento ob-

jeto da presente invengao, filmes/revestimentos de nitreto de cromo (CrN’ Cr2N) utilizados, por exemplo, para aneis de pistao aplicados em um motor de combustao interna, apresentam tipicamente morfologia "colunar" (vide figura 1) com a dire^ao ortogonal ao substrato ou base metalica que ira re- ceber ο revestimento.

Note-se que por se tratar de um revestimento aplicado em uma

superficie que apresenta movimento relativo de deslizamento, por exemplo, alternado, e intrinseco ao material do revestimento um esforgo tangente a superficie Iivre devido ao atrito. Nessa condi9ao, a solicitagao do revesti- mento devido ao atrito acontece na diregao de menor resistencia do reves- timento por conta de sua textura "colunar".

Outra condigao que tambem afeta a resistencia do filme e a pre- senga de poros (nao apresentado nas figuras). Poros sao regioes presentes no revestimento que apresentam defeito devido a baixissima coesao Iocali- zada do material. Assim, os poros atuam como concentradores de tensoes em maior ou menor escala dependendo da geometria e quantidade de po- ros.

Assim, a orienta?ao da estrutura do material do revestimento in- fluencia diretamente ο seu desempenho. Tipicamente, sao produzidos reti- culados com orientagao (111) ou (200). A primeira orientagao do material (111) e conhecida por apresentar boa resistencia ao desgaste enquanto que a segunda orientagao (200) contribui para a minimizagao de tensoes inter- nas do revestimento e, conseqtientemente, permite alcangar um revestimen- to com maior crescimento, ou seja, com espessura maior que aquela obtida com revestimentos apresentando apenas orientagao (111). Existem alguns elementos que trabalham sob deslizamento do

estado da tecnica apresentando morfologia colunar e orientagao (111). E- xemplo disso sao os documentos norte-americanos US 5,743,536 e US 5,851,659 que descrevem aneis de pistao dotados de revestimentos de ni- treto de cromo com morfologia colunar e orientagao (111) paralela a superfi- cie do revestimento. Estes documentos revelam um revestimento com uma espessura que varia entre 1 e 80 micrometros (μιη), com uma dureza que

vai de 600 a 1000 Vickers (HV) e uma porosidade que oscila entre 1,5 e 20%.

Adicionalmente1 existem tambem documentos do estado da tec- nica que apresentam morfologia colunar e ambas as orientagoes (111) e (200). O documento norte-americano US2009/278320A1 revela um revesti- mento de nitreto de cromo com morfologia colunar dotado de ambas as ori- entagoes com vista a alcangar beneficios, principalmente com relagao a te- nacidade. No entanto, este documento de tecnica anterior explora uma faixa relativamente pequena da razao (111)/(200), que se situa entre 0,8 e 1,2. Por outras palavras, ambas as orientag5es mantem-se em uma relagao quase que similar, promovendo um filme com uma espessura superior a 80 μιη, uma dureza que varia entre os 1500 e os 2500 HV e com uma porosi- dade superior a 10%.

Por fim, ο documento norte-americano US 6,372,369 descreve um elemento que trabalha sob deslizamento para uso em um motor de combustao interna (anel de pistao), elemento esse que e dotado de um re- vestimento de nitreto de cromo (CrN) e nitreto de titanio (TiN) contendo oxi- genio e que apresenta tambem uma morfologia colunar. Este revestimento possui uma espessura que oscila entre 1 e 100 μιη e uma dureza que vai de 1300 a 2300 HV. Tais caracteristicas sao alcangadas atraves de uma orien- tagao do revestimento que tern predominancia em uma das orientagdes (111) ou (200). Assim, os cristais de nitreto de cromo e nitreto de titanio tem uma orientagao preferencial (200) ou (111) paralela a superficie a revestir, sendo a sua morfologia colunar desde ο material base ate a superficie ex- terna do revestimento. Apesar dos avangos tecnologicos evidenciados pelos documen-

tos do estado da tecnica, nao foi ainda encontrada uma solugao que possibi- Iite revestimentos de elementos que trabalham sob deslizamento aplicados em motores de combustao interna com um aumento de sua resistencia ao desgaste, porem preservando a tenacidade e garantindo uma porosidade inferior a 1% ou praticamente nula.

Adicionalmente1 alem de ο estado da tecnica nao alcangar re-

vestimentos que proporcionem extrema resistencia ao desgaste de elemen- tos deslizantes, capacitando-os para desempenhar adequadamente as suas funções durante longos ciclos de funcionamento, não revelam a possibilida- de de se usar revestimentos com morfologias alternativas. Tais morfologias sendo mais capazes de resistir às condições tribológias a que estão sujeitos os elementos deslizantes, proporcionando condições de funcionamento mais duráveis e capacitando os motores de combustão interna a uma maior eficiência e menor emissão de gases poluentes.

Assim, as soluções do estado da técnica apresentam dois gran- des inconvenientes que até ao presente momento ainda não têm solução. Por um lado o aumento da resistência ao desgaste compromete a tenacida- de do revestimento e, por outro lado, os revestimentos apresentam uma po- rosidade prejudicial à durabilidade do revestimento. Nesse sentido, as variá- veis resistência ao desgaste, tenacidade e porosidade estão limitadas a uma equação que necessita da introdução de um novo paradigma para que me- Ihores resultados sejam alcançados, nomeadamente ao nível da morfologia dos revestimentos de nitreto de cromo e da orientação de sua estrutura. Objetivos da Invenção

A presente invenção tem por objetivo prover um elemento que trabalha sob deslizamento para uso em um motor de combustão interna do- tado de um revestimento de nitreto de cromo capaz de garantir um aumento de resistência ao desgaste preservando os valores de tenacidade.

A presente invenção tem também por objetivo prover um ele- mento que trabalha sob deslizamento com um revestimento de nitrato de cromo dotado de uma a morfologia equiaxial com uma orientação atômica predominante (111), possuindo também uma retenção na estrutura da orien- tação (200).

A presente invenção tem ainda por objetivo prover um elemento que trabalha sob deslizamento com um revestimento de nitrato de cromo praticamente isento de porosidade. Breve Descrição da Invenção

Os objetos da presente invenção são alcançados através de um elemento dotado de pelo menos uma superfície de deslizamento para uso em um motor de combustão interna, o elemento compreendendo uma base de uma dada liga metálica e uma superfície externa dotada de um revesti- mento duro de nitreto de cromo gerado pela deposição física na fase de va- por, sendo que o revestimento tem uma porosidade com uma taxa inferior a 1% em volume e é dotado de uma estrutura cristalina equiaxial. Descrição Resumida dos Desenhos

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

Figura 1 - é uma fotografia da morfologia colunar de um revesti- mento de nitreto de cromo de um elemento que trabalha sob deslizamento do estado da técnica;

Figura 2 - é uma fotografia da morfologia equiaxial de um reves- timento de nitreto de cromo de um elemento que trabalha sob deslizamento da presente invenção;

Figura 3 - é uma ilustração de um revestimento com morfologia colunar apresentando a direção de crescimento e de esforços decorrentes do atrito;

Figura 4 - é uma ilustração de um revestimento com morfologia equiaxial apresentando a direção de crescimento e de esforços decorrentes do atrito;

Figura 5 - é uma figura de dois elementos que trabalham sob deslizamento onde um deles é dotado de um revestimento de nitreto de cromo com morfologia equiaxial da presente invenção; e

Figura 6 - é uma figura de dois elementos que trabalham sob deslizamento onde um deles é dotado de uma camada intermediária de li- gação entre o revestimento de nitreto de cromo da presente invenção e a base.

Descrição Detalhada das Figuras

A presente invenção refere-se a elementos dotados de pelo me- nos uma superfície de deslizamento para uso em motores de combustão interna. Note-se que os elementos (1) que trabalham sob deslizamento po- dem ser compreendidos por diversos componentes de um motor que sofram contato, resultando entre eles uma relação de atrito. Assim, o revestimento (4) da presente invenção pode ser aplicado a um de dois elementos ou si- multaneamente aos dois elementos que irão interagir mutuamente.

O elemento 1 que trabalha sob deslizamento da presente inven-

ção compreende uma base 2 de uma dada liga metálica e uma superfície externa 3 que irá receber o revestimento 4 (vide figura 5 e 6). A base 2 pode ser constituída de uma liga ferrosa ou de um aço, tal como, por exemplo, um aço contendo 10 a 17% de cromo (aço inoxidável). Exemplos de elementos 1 que trabalham sob deslizamento da

presente invenção são encontrados em anéis de pistão, tanto de compres- são como de óleo, mancais, cilindros e camisas de cilindros, pistões, bronzi- nas de mancai e segmento, dentre inúmeros outros.

Tal como referido, os revestimento de nitreto de cromo do esta- do da técnica aplicados em elementos 1 que trabalham sob deslizamento para uso em motores de combustão interna são caracterizados por uma morfologia colunar. Revestimentos com morfologias colunares apresentam uma resistência do material anisotrópica. Este tipo revestimento de morfolo- gia colunar, tal como visto, não proporciona os melhores resultados de resis- tência ao desgaste visto que a solicitação mecânica do revestimento decor- rente do atrito "A" ocorre na direção de menor resistência do revestimento por conta de sua textura "colunar" (vide figura 3), isto é, tangencialmente a uma direção de crescimento "C" ortogonal em relação à base a revestir.

O revestimento 4 da presente invenção tem por base uma mor- fologia distinta daquela do estado da técnica, promovendo o crescimento de um revestimento 4 com morfologia equiaxial (vide figura 4), o que resulta em um revestimento 4 dotado de propriedades isotrópicas. Observando as duas figuras, fica evidente que a morfologia da presente invenção consegue mais facilmente suportar as cargas decorrentes do atrito (A) pelo fato de não a- presentar uma estrutura empilhada linearmente (colunar). Na estrutura equi- axial há um desalinhamento a partir do centro dos "blocos" de modo equia- xial, fazendo com que a carga exercida por um "bloco" seja distribuída para baixo em dois "blocos", resultando em uma maior capacidade de resistir aos esforços.

Um exemplo deste tipo de morfologias é mostrado pelas fotogra- fias das figuras 1 e 2. A morfologia colunar (figura 1) apresenta-se mais de- finida, ficando evidente que se tratam de colunas sobrepostas. Por sua vez, a morfologia equiaxial (figura 2) apresenta-se menos linear por conta da ex- plicação dada acima.

No entanto, não foi apenas a morfologia do revestimento 4 que possibilitou os excelentes resultados alcançados pelo revestimento 4 da presente invenção. O revestimento 4 objeto da presente invenção obteve valores de porosidade muito inferiores aqueles encontrados no estado da técnica em revestimentos de nitreto de cromo. Assim, a porosidade máxima encontrada não ultrapassa 1% em volume de revestimento 4, apresentando uma tendência à ausência de porosidade, isto é, praticamente nula. Em adição aos benefícios proporcionados pela morfologia equi-

axial do revestimento 4 proposto pela presente invenção, é fundamental perceber que a ausência de porosidade (ou sua tendência a zero) beneficia enormemente as propriedades mecânicas do revestimento 4. Como se sa- be, a porosidade prejudica a resistência estrutural de um revestimento pelo fato de atuar, simultaneamente, como um defeito e um concentrador de ten- sões. Assim, a diminuição da quantidade e tamanho de tais descontinuida- des proporciona revestimentos 4 mais densos, dotados de maior resistência ao desgaste e uma maior tenacidade.

Ainda com referência às melhorias introduzidas no revestimento da presente invenção, cumpre notar que houve uma considerável melhoria das propriedades mecânicas decorrente de uma nova disposição na orien- tação atômica do revestimento de nitreto de cromo.

Muitos dos documentos do estado da técnica descrevem orien- tações da família (111) como sendo intrinsecamente dotadas de boa resis- tência ao desgaste. Tal constatação deve-se, em parte, ao fato de esta ori- entação cristaIográfica possuir uma natureza próxima à estrutura cúbica de face centrada (FCC), ou seja, dotada de um menor espaçamento atômico, o que se reflete em uma melhoria ao desgaste em revestimentos finos. No entanto, o elevado stress interno inerente ao crescimento de um revestimen- to obviamente limita o seu crescimento (maior espessura) quando em uma direção (111).

Por outro lado, orientações cristalográficas da família (200) acar-

retam uma elevada dificuldade na movimentação de deslocações com vista ao alívio das tensões externas de cisalhamento aplicadas na superfície de um revestimento, o que provoca um destacamento dos planos cristalinos com orientação (200), ocorrência altamente indesejável em um revestimento de um elemento 1 que trabalha sob deslizamento .

Assim, segundo os entendimentos do revestimento 4 da presen- te invenção, planos cristalinos da família (111) melhoram a resistência ao aparecimento de trincas e pequenas quantidades da família (200) melhoram a resistência à propagação de trincas. A presente invenção aplica assim ambas as orientações cristalinas como um mecanismo metalúrgico capaz de evitar o destacamento do revestimento e melhorar a resistência ao desgaste através da redução da energia de interface entre os planos.

Com vista à efetivamente alcançar os benefícios mencionados, o revestimento 4 da presente invenção implementa assim uma distribuição dos planos cristalinos predominantemente (111). Quantificando esse valor, a distribuição cristalográfica segundo orientações da família (111) é cerca de uma vez e meia a cem vezes superior à de planos cristalinos da família (200), ou seja, (111)/(200)=1,5 a 100.

Deste modo, aquilo que dantes era uma limitação ao crescimen- to de revestimentos, limitando-os em determinadas circunstancias a 1pm ou 2pm, vê-se agora solucionada. A solução proposta pela presente invenção permite agora aumentar à espessura dos revestimentos com a vantagem de conseguir manter mesmos valores de tenacidade.

Por fim, para se alcançar as propriedades do revestimento 4 de um elemento 1 deslizante para uso em um motor de combustão, foi utilizado um processo de deposição de nitreto de cromo gerado pela deposição física na fase de vapor, mais concretamente através de alta potência pulsada por magnetron de pulverização catódica (High Power Impulse Magnetron Sput- tering- HIPIMS).

Este processo de deposição faz uso de um fenômeno que con- siste em aumentar substancialmente a energia (maior velocidade) com que os íons chegam na base 1 metálica sobre a qual se dá o crescimento do revestimento 4, observando-se uma considerável modificação na estrutura do revestimento 4, passando assim de uma morfologia tipicamente colunar (vide figuras 1 e 3) para uma morfologia equiaxial (vide figuras 2 e 4). Con- seqüentemente, tal fenômeno tem a capacidade de produzir um filme cada vez mais denso em função da energia dos íons que formam o revestimento.

Em função das características do processo de deposição, é ob- servada uma formação cada vez mais preferencial da orientação do reticu- Iado com maior quantidade de (111), retendo porem estrutura com orienta- ção (200), conferindo assim tenacidade ao revestimento 4. Um exemplo preferencial da presente invenção pode ser com-

preendido através das figuras 5 e 6. Supondo-se que as figuras tratam de um anel de pistão e de um cilindro de um motor de combustão interna (am- bos elementos que trabalham sob deslizamento 1), pode-se revestir apenas um ou os dois elementos 1 que trabalham sob deslizamento. No caso con- creto vamos deter-nos com um exemplo clássico em que um anel de pistão, para disposição em qualquer um de seus caneletes, recebendo o revesti- mento 4 da presente invenção na superfície que irá contatar a parede do cilindro.

Assim, uma base 2 metálica do anel de pistão recebe em sua superfície externa 3 um revestimento 4 de nitreto de cromo depositado pelo processo HIPIMS. Resultados laboratoriais demonstram que o revestimento 4 é dotado de uma morfologia equiaxial com baixíssima ocorrência (menor que 1 %) ou nenhuma porosidade. Conjuntamente, a estrutura do reticulado na direção paralela à base 2 preferencial de (111) permite observar um filme de extrema resistência ao desgaste (superior ao estado da técnica), preser- vando, contudo a tenacidade necessária (valor residual da orientação (200)) para desempenhar adequadamente a função de proteção na superfície de trabalho do anel de pistão.

Note-se que os valores medidos mostraram que a razão entre a orientação cristalográfica (111) e (200) se encontra entre uma vez e meia e cem vezes. Por usa vez, os valores de dureza variaram entre os 1500 HV e os 2500HV, sendo que o revestimento 4 alcançou espessura entre os 5μιτι e os 60μηη

Resta assim claro que o revestimento 4 da presente invenção, além de propor uma nova morfologia equiaxial em elementos que trabalham sob deslizamento 1 para uso em um motor de combustão interna, agrega inúmeras características capazes de suplantar as dificuldades encontradas em revestimentos do estado da técnica, conferindo-lhes uma durabilidade superior.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, 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

1. Elemento dotado de pelo menos uma superfície de desliza- mento para uso em um motor de combustão interna, o elemento (1) com- preendendo uma base (2) de uma dada liga metálica e uma superfície ex- terna (3) dotada de um revestimento (4) duro de nitreto de cromo gerado pela deposição física na fase de vapor, o elemento (1) sendo caracterizado pelo fato de que o revestimento (4) tem uma porosidade com uma taxa infe- rior a 1% em volume e é dotado de uma estrutura cristalina equiaxial.

2. Elemento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que orientação cristalina do revestimento (4) é definida por uma ra- zão de planos paralelos à superfície do revestimento (4) onde os planos cris- talinos (111) e (200) variam de 1,5 a 100 com relação aos planos cristali- nos.

3. Elemento de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracteriza- do pelo fato de que o revestimento (4) possui uma dureza que varia entre 1500HV e 2500HV.

4. Elemento de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracteriza- do pelo fato de que o revestimento (4) é constituído de uma espessura na faixa de 5 a 60 pm.

5. Elemento de acordo com as reivindicações 1 a 4, caracteriza- do pelo fato de que a orientação cristalina do revestimento (4) é predomi- nantemente definida pelos planos cristalográficos densos (111).

6. Elemento de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracteriza- do pelo fato de que o material base (2) é ferro fundido.

7. Elemento de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracteriza- do pelo fato de que o material base (2) é aço.

8. Elemento de acordo com as reivindicações 1 a 5, caracteriza- do pelo fato de que o material base (2) é aço dotado de uma quantidade de cromo que varia entre 10 e 17% em peso.

9. Elemento de acordo com as reivindicações 1 a 8, caracteriza- do pelo fato de que o revestimento (4) contem um elemento selecionado do grupo de oxigênio e carbono em uma quantidade não superior a 5%.

10. Elemento de acordo com as reivindicações 1 a 9, caracteri- zado pelo fato de que é dotado de uma camada intermediária (5) de ligação entre o revestimento (4) e a base (2), camada intermediária (5) compreen- dendo um dos elementos entre Cromo, Níquel e Cobalto.

11. Elemento de acordo com as reivindicações 1 a 10, caracteri- zado pelo fato de que a deposição física na fase de vapor é obtida através de alta potência pulsada por magnetron de pulverização catódica.