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BRPI0814130B1 - anel de segmento de um material de suporte, especialmente de um material de aço ou fundido, e com uma camada protetora contra desgaste aplicada e seu uso - Google Patents

anel de segmento de um material de suporte, especialmente de um material de aço ou fundido, e com uma camada protetora contra desgaste aplicada e seu uso Download PDF

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BRPI0814130B1
BRPI0814130B1 BRPI0814130A BRPI0814130A BRPI0814130B1 BR PI0814130 B1 BRPI0814130 B1 BR PI0814130B1 BR PI0814130 A BRPI0814130 A BR PI0814130A BR PI0814130 A BRPI0814130 A BR PI0814130A BR PI0814130 B1 BRPI0814130 B1 BR PI0814130B1
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Fischer Manfred
Lammers Ralf
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Fed Mogul Burscheid Gmbh
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Abstract

anel de segmento". a presente invenção refere-se ao anel de segmento de uma camada protetora contra desgaste, que consiste em um material com uma condutibilidade térmica de pelo menos 180 w/(mk), para se evitar traços de queima em anéis de segmento. pelo menos 5% em vol da camada protetora contra desgaste consistem em nitreto de alumínio.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para ANEL DE SEGMENTO DE UM MATERIAL DE SUPORTE, ESPECIALMENTE DE UM MATERIAL DE AÇO OU FUNDIDO, E COM UMA CAMADA PROTETORA CONTRA DESGASTE APLICADA E SEU USO. [001] A presente invenção refere-se a um anel de segmento. [002] Anéis de segmento são providos de camadas protetoras contra desgaste na área de rolamento e/ou nos flancos do anel, para poder atender à requerida vida útil. Elevadas pressões de cilindro, injeções diretas, recondução de gás de descarga e outras características construtivas de novos desenvolvimentos de motores, como materiais alternativos de cilindro, mas também minimização do consumo de óleo sobrecarregam cada vez mais os anéis de segmento.
[003] Camadas protetoras contra desgaste são aplicadas por meio de processos de pulverização térmica, processos galvânicos ou tecnologias de camada fina e processadas eventualmente por tratamento térmico e processos de difusão. As camadas são aplicadas via de regra de modo amplamente homogêneo e, portanto, nãoestruturado. A resistência ao desgaste é ajustada por correspondente dureza do material.
[004] Todos os estados, que apontam para supersolicitação térmica na área do anel de segmento, estão tipicamente resumidos sob o termo traços de queima.
O termo traços de queima foi definido originalmente por estados na área de rolamento de anéis de segmento. Os descoloramentos e a assim chamada formação de pedra de pavimentação sobre a superfície de cromo são indícios de uma sobrecarga térmica. Estendendo-se o termo traços de queima também a outros materiais, então devem ser nele incluídos todos os estados que apontam para supersolicitação térmica na área de rolamento do anel de segmento. A distinção entre traços de queima e grimpagem é simples. Na grimpagem podem ser
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2/7 vistas na superfície dos anéis de segmento fortes frisagens e/ou transferências de material. Traços de queima e grimpagem são provocados por contato metálico dos participantes do rolamento, que ocorre devido à deficiência de óleo lubrificante ou demasiada compressão da superfície dos anéis de segmento. Anéis de segmento não-estanques, não encostando na parede do cilindro, e cilindros não-redondos possibilitam indesejável passagem dos gases de combustão quentes (perdas blow-by), com o que o óleo lubrificante é queimado e ocorre um contato metálico dos participantes do rolamento (v. www.motorlexikon.de). [005] Da DE 199 31 829 A1 é conhecida uma camada de cromo dura galvânica, que apresenta fissuras, nas quais estão incorporadas partículas de diamante com um tamanho de 0,25 a 0,5 pm. Adicionalmente podem ainda estar incorporadas nas fissuras outras partículas de material duro de carbureto de volfrâmio, carbureto de cromo, óxido de alumínio, carbureto de silício, nitreto de silício, carbureto de boro ou nitreto de boro.
[006] Quando da ocorrência de altas temperaturas, as partículas de diamante se convertem em grafite, que então assume funções lubrificantes e, assim, impede a formação de traços de queima. Essa camada possui assim também ainda propriedades de curso de emergência muito boas, especialmente devido à conversão de diamante em grafite a temperaturas de cerca de 700 °C ou mais.
[007] Para melhorar ainda mais o comportamento de traços de queima de anéis de segmento, até agora tipicamente eram empregadas camadas de materiais que apresentam pontos de fusão muito altos e cuja supersolicitação térmica são necessárias, portanto temperaturas elevadas. Um exemplo típico disso é nitreto de cromo aplicado por meio de processo PVD com uma temperatura de decomposição de cerca de 2000K.
[008] Para melhorar a resistência a traços de queima e a resisPetição 870180127796, de 06/09/2018, pág. 9/22
3/7 tência a desgaste, na DE 10 2004 028 486 A1 é proposto um revestimento de várias camadas individuais, que consistem alternadamente em cromo e nitreto de cromo. As camadas de nitreto de cromo podem consistir em CrN, Cr2N ou misturas dos mesmos. Para evitar transições abruptas, o processo de revestimento é conduzido de tal maneira que as camadas individuais de nitreto de cromo apresentem respectivamente em ambos os lados uma borda de Cr2N e um núcleo de CrN. Cada camada individual tem uma espessura de pelo menos 0,01 pm. A máxima espessura importa em 10 pm. A espessura total do revestimento é indicada com 5 a 100 pm.
[009] A US 5.549.086 descreve revestimento de anel de segmento de TiN e CrN.
[0010] A DE 10 2004 032 403 B3 descreve anéis de rolamento, que apresentam em uma camada aderente de cromo uma camada de gradiente CrN com um teor de nitrogênio crescente para fora.
[0011] Da JP 2005-060810 A são conhecidos anéis de segmento para motores de combustão interna, que são providos de um sistema de revestimento de múltiplas camadas, cujas camadas individuais apresentam os mesmos componentes metálicos e se distinguem apenas no teor de nitrogênio. As espessuras de camada das camadas individuais são indicadas com < 1 pm. As camadas são aplicadas por meio de um processo PVD, especialmente um processo a arco voltaico.
[0012] A resistência a traços de queima das camadas conhecidas, no entanto, não é satisfatória.
[0013] Por isso, constitui objetivo da invenção indicar um anel de segmento com uma camada protetora contra desgaste, que com grande resistência ao desgaste apresenta também uma boa resistência a traços de queima.
[0014] Comprovou-se que traços de queima podem então ser eviPetição 870180127796, de 06/09/2018, pág. 10/22
4/7 tados quando o calor é descarregado tão rapidamente quanto possível. Nenhum ou apenas poucos traços de queima ocorrem quando é empregado um material, cuja condutibilidade térmica apresenta pelo menos 180 W/(m*K).
[0015] De preferência, a camada protetora contra desgaste consiste em nitreto de alumínio com uma fração de pelo menos 5% em vol. Outras frações preferidas são pelo menos 10 % em vol, pelo menos 20 % em vol, pelo menos 30 % em vol, especialmente pelo menos 40 % em vol e, de modo especialmente preferido, pelo menos 50 % em vol. A fração de percentagem em volume refere-se a toda a camada protetora contra desgaste, independentemente de se consiste em um revestimento de uma camada homogênea ou em um sistema de revestimento de múltiplas camadas.
[0016] De preferência, a camada protetora contra desgaste consiste em um revestimento de uma camada de um sistema de três materiais.
[0017] É preferida uma camada protetora contra desgaste de um sistema de três materiais AIMeN, sendo que Me significa um elemento do grupo Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si e C e Al significa alumínio e N nitrogênio.
[0018] Um sistema de três materiais preferido consiste em CrAIN. [0019] A camada protetora contra desgaste pode consistir também em um sistema de revestimento de múltiplas camadas periodicamente estruturado, em que cada periodicidade consiste em pelo menos duas camadas individuais, que se distinguem quanto à sua composição. De preferência, o sistema de revestimento de múltiplas camadas apresenta camadas individuais de AIN e de um nitreto do grupo Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si e C. De preferência, cada periodicidade apresenta pelo menos uma camada individual de AIN. É preferida uma periodicidade de duas camadas individuais, das quais uma camada indiPetição 870180127796, de 06/09/2018, pág. 11/22
5/7 vidual consiste em AIN.
[0020] De preferência, pelo menos uma camada individual consiste em um nitreto de pelo menos dois metais do grupo mencionado.
[0021] No âmbito de tais sistemas de revestimento de múltiplas camadas são preferidos sistemas de revestimento de múltiplas camadas com camadas individuais de CrN e AIN. Sistemas de revestimento de múltiplas camadas de camadas individuais com nitreto de cromo e nitreto de alumínio apresentam até menos valores de condutibilidade térmica de 225 W/(m*K).
[0022] A espessura de uma camada individual de um tal sistema de revestimento de múltiplas camadas importa, de preferência, em > 15 nm a 1 pm.
[0023] De preferência, a espessura de uma camada individual do sistema de revestimento de múltiplas camadas importa em > 2 nm a 15 nm. Com tais pequenas espessuras resultam assim chamadas estruturas de engradado. Estruturas de engradado resultam pela disposição em grande prejudicial nas proximidades imediatas da grade da camada individual vizinha. As camadas individuais se influenciam na faixa limítrofe, de modo que os parâmetros de grade são ali variados. Devido à espessura relativamente grande das camadas individuais, que são formadas, por exemplo, por 7 a 35 camadas atômicas, resulta em cada camada individual uma região de núcleo, em que se forma uma grade, que corresponde e um revestimento de uma camada. Essa região de núcleo é contornada por uma estrutura de engradado para com os limites da camada.
[0024] A espessura total da camada protetora contra desgaste tanto em sistemas de revestimento de múltiplas camadas como também em revestimentos de uma camada importa, de preferência, em > 5 pm. Espessuras totais preferidas da camada protetora contra desgaste são 5 pm até 60 pm, 5 pm até 15 pm e 25 pm até 35 pm.
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6/7 [0025] Entre o material de suporte e a camada protetora contra desgaste está disposta, de preferência, uma camada de aderência de um metal ou de um nitreto do grupo acima mencionado Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si e C. De preferência, a camada de aderência consiste em cromo.
[0026] De preferência, a camada protetora contra desgaste é aplicada por meio de um processo PVD, um processo de arco voltaico reativo ou um processo CVD.
[0027] Usos especiais desses anéis de segmento são previstos para motores Otto e motores a diesel.
EXEMPLOS:
DETERMINAÇÃO DA CONDUTIBILIDADE TÉRMICA EM CAMADAS DE PVD.
[0028] Para a medição da condutibilidade térmica foi aplicado o princípio básico do processo fotoacústico. A camada PVD foi exposta a uma radiação periódica com luz e medida a condutibilidade térmica.
[0029] A condutibilidade térmica da amostra é calculada sob consideração da densidade e do calor específico. A capacidade térmica específica corresponde em camadas finas àquela do material compacto, o que não se aplica, porém necessariamente à densidade. Para a avaliação foi, portanto, empregada a densidade do material compacto.
Camada Condutibilidade térmica em W/(m«K)
ECD - GDC® 34,8 ±2,8
ECD - Cr 38,5 ±3,1
PVD - CrN 170,4 ± 13,6
PVD - CrN/AIN 225,3 ± 18,2
ECD: camada galvanicamente depositada
GDC®: camada de cromo com diamante segundo DE 19931829 A1 [0030] A condutibilidade térmica de camadas CrN-PVD típicas importa em 170 W/(m*K). Para as camadas PVD, a condutibilidade térmica pode divergir daquela do material compacto, pois essas camadas
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7/7 não se encontram obrigatoriamente no equilíbrio térmico e estão presentes tipicamente consideráveis tensões internas.
[0031] A condutibilidade térmica de um sistema de revestimento de múltiplas camadas segundo a invenção com camadas individuais de CrN e AIN se situa em torno de 225,3 W/(m*K). Esse sistema de revestimento de múltiplas camadas não apresenta trações de queima.

Claims (15)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Anel de segmento de um material de suporte, especialmente de um material de aço ou fundido, e com uma camada protetora contra desgaste aplicada, caracterizado pelo fato de que a camada protetora contra desgaste consiste em um material com uma condutibilidade térmica de pelo menos 180 W/(m*K), sendo que a camada protetora contra desgaste consiste em um revestimento de uma camada de um sistema de três materiais Al-Me-N com Me sendo um elemento do grupo Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Mo, W, Si e C, sendo que Al significa alumínio e N significa nitrogênio.
  2. 2. Anel de segmento de um material de suporte, especialmente de um material de aço ou fundido, e com uma camada protetora contra desgaste aplicada, caracterizado pelo fato de que a camada protetora contra desgaste consiste em um material com uma condutibilidade térmica de pelo menos 180 W/(m*K), sendo que a camada protetora contra desgaste consiste em um sistema de revestimento de múltiplas camadas periodicamente estruturadas que se distinguem com relação a sua composição.
  3. 3. Anel de segmento de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o sistema de revestimento de múltiplas camadas apresenta camadas individuais de AIN e de um nitreto do grupo Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si e C.
  4. 4. Anel de segmento de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que pelo menos uma chamada individual consiste em um nitreto de pelo menos dois elementos do grupo Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si e C.
  5. 5. Anel de segmento de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 4, caracterizado pelo fato de que o sistema de revestimento de múltiplas camadas apresenta camadas individuais de CrN e de AIN.
    Petição 870180127796, de 06/09/2018, pág. 15/22
    2/3
  6. 6. Anel de segmento de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 5, caracterizado pelo fato de que a espessura de uma camada individual do sistema de revestimento de múltiplas camadas importa em > 15 nm a 1 pm.
  7. 7. Anel de segmento de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 a 5, caracterizado pelo fato de que a espessura de uma camada individual do sistema de revestimento de múltiplas camadas importa em > 2 nm a 15 nm.
  8. 8. Anel de segmento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que pelo menos 5% em vol da camada protetora contra desgaste, com relação à camada protetora contra desgaste total, consiste em nitreto de alumínio.
  9. 9. Anel de segmento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que a espessura total da camada protetora contra desgaste importa em > 5 pm.
  10. 10. Anel de segmento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizado pelo fato de que, entre o material de suporte e a camada protetora contra desgaste, está disposta uma camada de aderência de um metal ou de um nitreto do grupo Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Si e C.
  11. 11. Anel de segmento de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a camada de aderência consiste em Cr.
  12. 12. Anel de segmento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que a camada protetora contra desgaste é aplicada por meio de um processo PVD.
  13. 13. Anel de segmento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a camada protetora contra desgaste é aplicada por meio de um processo de arco voltaico reativo.
  14. 14. Anel de segmento de acordo com qualquer uma das
    Petição 870180127796, de 06/09/2018, pág. 16/22
    3/3 reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que a camada protetora contra desgaste é aplicada por meio de um processo CVD.
  15. 15. Uso de um anel de segmento com camada protetora contra desgaste como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 14, caracterizado pelo fato de que a camada protetora contra desgaste é usada em motores Otto e Diesel.
    Petição 870180127796, de 06/09/2018, pág. 17/22
BRPI0814130A 2007-07-28 2008-07-18 anel de segmento de um material de suporte, especialmente de um material de aço ou fundido, e com uma camada protetora contra desgaste aplicada e seu uso BRPI0814130B1 (pt)

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