A presente invenção refere-se a um anel de pistão, em especial para utilização em motores de combustão interna ou compressores diversos, dotado de uma pluralidade de camadas de revestimento alternadas forma- das preponderantemente por um metal e um cerâmico. Como resultado, o anel apresenta excelentes propriedades de resistência à abrasão e erosão. Descrição do estado da técnica

Os motores de combustão interna são constituídos basicamente por duas partes principais: um bloco de motor (onde estão localizados um ou mais cilindros e o conjunto da árvore de manivelas ou conjunto do vira- brequim), ao qual são associados um ou mais cabeçotes. O conjunto da árvore de manivelas é composto por pistões, bielas e pelo virabrequim, realçando que o pistão é uma peça cilíndrica, usualmente de uma liga metálica de alumínio, que se move no interior do cilindro.

O espaço definido entre a face superior do pistão, a parede do cilindro e a base do cabeçote corresponde à câmara de combustão, sendo que nos motores Diesel, em geral, a(s) câmara(s) de combustão é(são) defi- nida(s) primordialmente por cavidade(s) provida(s) na(s) cabeça(s) do(s) pistão(ões).

No interior da(s) câmara(s) de combustão, o motor converte a energia química produzida pela combustão da mistura (combustível e ar) em energia mecânica capaz de imprimir movimento às rodas.

Com a finalidade de impedir que a mistura de ar/combustível e que os gases de escapamento vazem da câmara de combustão para dentro do cárter de óleo durante a compressão e a combustão e ainda impedir que o óleo do cárter passe para dentro da zona de combustão, faz-se necessária utilização de anéis para providenciar uma vedação deslizante entre a borda externa do pistão e a parede interna do cilindro.

Durante o deslocamento do pistão no interior do cilindro, o pis- tão deveria aderir totalmente às paredes do cilindro de forma a impedir que a mistura de ar/combustível e que os gases de escapamento vazassem da câmara de combustão para dentro do cárter de óleo durante a compressão e a combustão e ainda impedir que o óleo do cárter passe para dentro da zona de combustão. Em função do elevado atrito que tal solução provocaria, a solução encontrada foi projetar uma pequena folga entre o pistão e as paredes internas do cilindro, colocando um ou mais anéis em volta do pistão de modo a assegurar o isolamento necessário. Esta folga permite ainda garantir espaço para que o pistão se possa dilatar com o aquecimento do motor sem aderir às paredes do cilindro envolvente, situação que impediria o movimento do pistão.

Usualmente, os motores de 4 tempos mais modernos utilizam três anéis em cada pistão, sendo dois anéis de compressão e um anel de óleo. Os dois anéis situados mais perto da cabeça do pistão são chamados segmentos de compressão e têm por finalidade assegurar que não haja fuga da mistura gasosa para o interior do cárter no momento em que o pistão efe- tua o seu movimento de compressão. Na posição mais afastada da cabeça do pistão situa-se o chamado anel de óleo cujo objetivo é, quando da sua movimentação (notadamente a movimentação afastando-se do cabeçote), raspar o excesso de óleo da parede do cilindro e retirar o excesso, contro- lando a espessura do 'filme' de óleo e impedindo sua queima indevida.

Em geral, os anéis de pistão, notadamente os anéis de compressão, são formados por uma base metálica à qual é aplicada pelo menos uma camada de revestimento, que entra em contato com a parede do cilindro (à superfície de trabalho do anel).

O papel da camada de revestimento é dos mais importantes, porque busca conferir ao anel propriedades de baixo atrito de deslizamento, grande resistência à escamação, dureza e tenacidade. Porém, muitas dessas propriedades são antagónicas e um acréscimo em uma delas significa uma perda de desempenho em outra, pelo que o tipo de revestimento a ser utilizado vai ser escolhido em função do perfil de funcionamento do motor e aos esforços aos quais os anéis serão submetidos durante sua vida útil.

Uma série de revestimentos sofisticados foram propostos por aqueles entendidos no assunto, cada qual buscando incrementar as propriedades desejadas. Porém, nenhum dos revestimentos propostos até o presente momento foi eficiente em aumentar, concomitantemente, as propriedades de absorção de estresse interno, elevada dureza e baixa espessura, o que reduz sobremaneira a ocorrência de escamação ('spalling').

Uma primeira técnica anterior está representada pela patente US 5.316.321 , que refere-se a um anel de pistão para motor de combustão interna fabricado a partir de uma liga de titânio, cuja superfície externa de deslizamento é revestida por um filme duro, empregando processo de depo- sição física de vapor, do inglês "PVD" (Physical Vapour Deposition) para essa deposição.

O documento US 5.316.321 descreve ainda o uso de um ou mais tipos de filmes para o revestimento do anel de pistão, especialmente o TiN (Nitreto de Titânio) e o CrN (Nitreto de Cromo).

Uma segunda técnica anterior desenvolvida está representada pelo caso de patente US 5.820.131 , que revela um anel de pistão dotado de um revestimento formado por um filme de uma única camada de C^N ou uma mistura de Cr ₂ N e CrN, com espessura de 3pm a 30pm e um percentual de nitrogénio, em peso, entre 11% e 17%. A camada de revestimento é aplicada pelo processo de PVD e sua dureza oscila entre 1300 HV e 2000 HV.

A patente US 5.618.590 refere-se a um anel de pistão revestido por um filme de uma ou mais camadas aplicadas por um processo de deposição por arco catódico.

O documento US 5.618.590 descreve ainda que o processo a- plicado é capaz de formar uma primeira camada que faz uso de um metal (tal como o cobalto, níquel ou molibdênio) incapaz de formar um carboneto ou nitreto e uma segunda camada que faz uso de um metal (tal como titânio, vanádio, cromo, ferro, zircônio, nióbio, tungsténio ou silício) capaz de formar um carboneto ou nitreto.

A patente européia EP 0.707.092 refere-se a um anel de pistão dotado de uma camada de revestimento formada por uma mistura de cromo metálico e nitreto de cromo, aplicado por PVD. O documento descreve ainda que a concentração de nitrogénio tem um aumento gradativo desde a base metálica até ao exterior do anel.

Outra técnica anterior está representada pela patente US 5.601.293, que revela um anel de pistão dotado de um revestimento formado por uma única camada ternária compreendida por nitreto de molibdênio, nitreto de cromo e um percentual de nitrogénio, em peso, entre 4% e 22%. A camada de revestimento é aplicada pelo processo de PVD e sua dureza oscila entre 1400 HV e 2600 HV.

O patente japonesa JP 6.293.954 faz referência a um anel de pistão revestido por uma única camada formada por pelo menos nitreto de cromo pelo processo PVD. O cristal da camada formada apresenta ainda uma forma colunar que se estende desde a superfície do substrato até à superfície da camada nitretada.

O documento de patente japonês JP 6.248.425 descreve um anel de pistão revestido por uma camada formada por CrN e/ou Cr ₂ N, com uma espessura que varia de 1 a 60 μιη. Tal como no documento anterior, este documento também descreve que a camada formada consiste em um cristal cuja forma colunar se estende desde a superfície do substrato até à superfície da camada nitretada.

O pedido de patente japonês JP 2006 316912 revela um anel de pistão cuja base metálica pode ser de uma liga de aço, alumínio ou titânio e que faz uso de um processo PVD para criar um filme superficial com baixa rugosidade. O documento descreve ainda que o filme na superfície do subs- trato pode ser constituído por combinações de Ti e/ou Cr, C, N e O.

Por fim, uma última técnica anterior representativa pode ser encontrada na patente US 6.631.907, que se refere a um anel de pistão dotado de uma camada de revestimento composta por CrN ou Cr ₂ N, ou ainda um mistura de nitretos, aplicada por PVD. O documento contempla ainda a aplicação de uma mistura de CrN com Cr ₂ N e Cr metálico, e discorre fartamente acerca de percentuais em peso dos componentes.

Chama-se, portanto, a atenção para o fato de nenhuma das tec- nicas anteriores fazer referência à formação de um revestimento multicama- das (ou, para os técnicos no assunto, πΐίΐΙΜθγβή, formado alternadamente por camadas cerâmicas/metálicas à base de cromo.

Por outras palavras, o anel de pistão objeto da presente inven- ção, ao apresentar uma constituição inovadora, leva adiante as propriedades apresentadas pela camada de revestimento. Pela primeira vez, é proposto um revestimento multicamadas, composto por uma pluralidade de camadas consecutivas Cerâmica/Metálica, alternando em composição majoritária nitreto de cromo (CrN) e cromo metálico (Cr).

Como resultado obtém-se um filme com o melhor dos dois componentes, pelo fato de apresentar as propriedades desejáveis de cada camada cerâmica e metálica, sem potencializar os pontos fracos de cada qual.

As melhores propriedades de cada composto são potencializadas visto que as camadas metálicas dúcteis (Cr) facilitam a acomodação das duras camadas cerâmicas (CrN), sendo que estas últimas conferem ao revestimento uma maior dureza e resistência ao desgaste, enquanto que a maior plasticidade da camada formada pelo cromo metálico colabora com uma redução considerável nos valores de estresse interno, possibilitando maiores espessuras dos revestimentos.

O revestimento ora desenvolvido confere ao anel de pistão uma maior resistência ao desgaste, menor modulo de elasticidade e, concomitantemente, uma redução considerável nos valores de estresse interno, reduzindo a ocorrência de trincas no revestimento e a consequente escamação quando comparado com as técnicas anteriores, notadamente aquelas que fazem uso de revestimentos de nitreto de cromo.

Objetivos da invenção

A presente invenção tem por objetivo um anel de pistão, particularmente para utilização de motor de combustão interna ou compressor, dotado de um revestimento baseado no conceito de multicamadas Cerâmi- ca/Metálica.

A presente invenção tem por objetivo também um anel de pistão, particularmente idealizado para utilização em motores de combustão interna ou compressores, compreendendo pelo menos uma base metálica à qual é aplicado, pelo processo de deposição física de vapor, um revestimento de cromo metálico e de nitreto de cromo, de modo a apresentar concomitantemente as antagónicas propriedades de dureza, resistência ao desgas- te, ductilidade e redução do modulo de elasticidade e do estresse interno.

Ainda, a presente invenção tem por objetivo um anel de pistão, particularmente para utilização de motor de combustão interna ou compressor, dotado de uma multiplicidade de camadas de revestimento cerâmico/metálica CrN/Cr, que apresentem menor espessura se comparadas com a espessura do revestimento dos anéis da técnica anterior com revestimento de nitreto de cromo.

Finalmente, a presente invenção tem por objetivo o processo de aplicação de uma multiplicidade de camadas de revestimento cerâmico/metálico em um corpo de anel de pistão metálico, em uma única etapa de aplicação, por meio da variação da pressão do gás nitrogénio no processo de deposição física de vapor.

Breve descrição da invenção

Os objetos da presente invenção são alcançados por um anel de pistão, particularmente idealizado para utilização em motores de combustão interna ou compressores, compreendendo pelo menos uma base metálica à qual é aplicado, pelo processo de deposição física de vapor (PVD), um revestimento que compreende uma periodicidade, formada por pelo menos uma primeira camada e pelo menos uma segunda camada adjacentes, sendo que a primeira camada é formada preponderantemente por cromo metá- lico e a segunda camada é formada preponderantemente por cromo cerâmico.

Descrição resumida dos desenhos

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

Figura 1 - é uma vista esquemática em corte transversal do anel de pistão objeto da presente invenção montado no canalete de um pistão e em atrito com a parede de um cilindro.

Figura 2 - é uma fotografia metalográfica ampliada da secção transversal do anel de pistão objeto da presente invenção, permitindo a visualização da base metálica e do revestimento multicamadas respectivo. Descrição detalhada das figuras

O anel de pistão 1 objeto da presente invenção difere dos atu- almente existentes, fundamentalmente, pelas vantajosas e inovadoras características de seu revestimento 3.

De realçar que o anel 1 é preferivelmente um anel de compres- são para uso em motores de combustão interna a 4 tempos, sendo que o anel 1 pode muito bem ter outras concretizações, tais como, um anel raspador de óleo, um anel aplicado em um compressor a pistão, um anel de um motor a 2 tempos ou mesmo qualquer outra possível concretização em que

0 anel 1 apresente um revestimento 3 com as inovadoras características ora definidas.

Qualquer que seja a configuração preferencial, o anel de pistão

1 da presente invenção compreende pelo menos uma base metálica 2, à qual é aplicado, pelo processo de deposição física de vapor (PVD), um revestimento 3 dotado de uma pluralidade de camadas (5,5') alternadas entre uma camada metálica 5 e uma camada cerâmica 5'.

O revestimento 3 é composto por multicamadas metálicas/cerâmicas 5,5' arranjadas de modo a formar pelo menos duas periodici- dades P onde cada periodicidade é formada por pelo menos uma camada de cromo metálico 5 e pelo menos uma camada de cromo cerâmico 5' adja- centes.

Adicionalmente, a base 2 é composta por qualquer material metálico adequado à sua formação e pode apresentar secção transversal de diversos formatos, em função das características do anel 1 e das condições de trabalho segundo as quais operará. Para tal, é utilizada, de modo prefe- rencial, qualquer liga ferrosa adequada à composição da base 2, sendo claramente possível fazer uso de outros materiais caso haja interesse e viabilidade técnica. Mais preferivelmente, a base 2 é composta por aço com 10 a 17 % de Cromo, habitualmente conhecido como aço inoxidável.

À base 2 é aplicado o revestimento 3 Metálico/Cerâmico à base de cromo que confere ao anel 1 propriedades de maior resistência ao desgaste, menor modulo de elasticidade e, concomitantemente, uma redução considerável nos valores de estresse interno, reduzindo a ocorrência de trincas no revestimento e a consequente escamação quando comparado com as técnicas anteriores, nomeadamente aquelas que fazem uso de revestimentos monocamada de nitreto de cromo.

Tal como é mencionado acima, o revestimento 3 compreende uma pluralidade de camadas Metálicas/Cerâmicas 5,5' à base cromo arranjadas de modo a formar uma periodicidade P. Logo, a periodicidade P compreende pelo menos duas camadas 5,5' adjacentes, obrigatoriamente de constituição diversa, isto é, uma camada 5 possui uma fase preponderante metálica e uma outra camada 5' possui uma fase preponderante cerâmica. Assim, o revestimento 3 terá pelo menos quatro camadas 5,5'.

Uma das qualidades da camada metálica 5 que compõe o revestimento 3, compreende o cromo (Cr) na sua forma metálica (ilustrada como as camadas mais claras na figura 2), cuja principal característica mecânica é uma maior ductilidade, característica essa que facilita a acomoda- ção das duras camadas cerâmicas 5'.

Por sua vez, a camada cerâmica 5' compreende nitreto de cromo (ilustrada como as camadas mais escuras na figura 2), preferencialmente na forma de CrN (embora, evidentemente, possa haver um percentual reduzido de Cr ₂ N e/ou de outros compostos/elementos em sua composição), tendo como principal característica mecânica a elevada dureza. É de especial importância notar que nitreto de cromo da camada cerâmica 5' também se pode apresentar predominantemente com a fase Cr ₂ N ao invés da fase CrN.

Por tudo o acima exposto, resta claro que a periodicidade P possui pelo menos uma camada metálica 5 composta preponderantemente por Cr e uma camada cerâmica 5' composta preponderantemente por CrN ou Cr ₂ N. De modo preferível, tal como ilustrado na figura 2, a camada metálica 5 deve estar posicionada adjacentemente à camada cerâmica 5' ou vice-versa. Com isso, consegue-se garantir que as camadas de revestimento 5,5' estão intercaladas sem repetição.

De realçar ainda que qualquer das camadas 5,5' pode ser depositada na superfície da base 2, sendo portanto possível depositar como primeira camada na base 2 tanto a camada metálica 5 quanto a camada cerâmica 5'. Naturalmente, após cada camada depositada se alternará uma camada distinta, ou seja, se a primeira camada a ser depositada na superfí- cie da base 2 for a camada cerâmica 5' seguir-se-á a camada metálica 5, ou vice-versa, e assim sucessivamente.

Alternativamente, pode-se conceber um anel 1 de acordo com os ensinamentos da presente invenção no qual pode haver, em regime de exceção, duas camadas de igual qualidade adjacentes, dependendo das qualidades de resistência e ductilidade que se deseja conferir ao revestimento 3.

Conforme pode ser claramente visto na figura 2, o revestimento 3 da concretização preferível do anel 1 compreende nove camadas metálicas/cerâmicas 5,5', onde as qualidades das camadas 5,5' do revestimento 3 estão intercaladas sem repetição.

Caso necessário ou desejável, as camadas 5,5' podem compreender um ou mais elementos químicos adicionais, em proporções variadas e calculadas em função da propriedade mecânica que se deseja alcançar. Mesmo ocorrendo alguma mistura nas camadas individuais 5,5', é esperado alcançar o mesmo grau de vantagens, isto é, são também esperadas as já referidas vantagens da presente invenção com um revestimento 3 multica- madas 5,5' onde uma camada tenha predominância cerâmica e a camada subsequente predominância metálica.

De igual modo, se esperam alcançar a mesmas vantagens caso se usem elementos similares para proporcionar um revestimento multica- madas metálicas/cerâmicas. Tais possíveis elementos químicos podem estar presentes em pelo menos uma das camadas 5,5', em algumas delas ou em todas, em função das propriedades mecânicas do revestimento que se deseja obter desde que mantidas as características de um revestimento mul- ticamadas metálicas/cerâmicas.

Apresenta-se abaixo uma tabela comparativa referente às diver- sas propriedades alcançadas pela presente invenção e pelo estado da técnica.

Revestimento/ Multicamadas Monocamada

Resultados CrN/Cr CrN

Dureza 1350 HV 1200 HV

Módulo de Young 200 MPa 250 MPa

Estresse interno -310 N/mm ² -1100 N/mm ²

Teste riscamento 135 N 110 N

Como pode ser observado na tabela acima, o revestimento 3 da presente invenção obteve resultados realmente superiores em todas as características medidas. Confirma-se, portanto, um aumento dos valores para propriedades antagónicas, fato que realmente comprova o sucesso do revestimento 3 da presente invenção.

Sendo assim, a presente invenção, quando comparada com o revestimento típico de monocamada CrN, alcança um valor para o modulo de elasticidade sensivelmente menor e uma expressiva redução do estresse interno (sensivelmente 3,5 vezes menor).

Estes valores evidenciam que há um aumento da energia de adesão devido à redução do estresse interno e um aumento da energia e- lástica possibilitado pela redução do modulo de elasticidade.

A figura 2 evidencia um revestimento 3 com duas camadas dis- tintas 5,5' onde a diferença se apresenta basicamente no conteúdo de cromo, sendo portanto esperadas fronteiras coesas entre as camadas Metálicas /Cerâmicas 5,5' de forma que a garantir a adesão entre as camadas 5,5' evitando-se assim a propagação de trincas na sua interface.

Desse modo, com uso do revestimento 3 da presente invenção, a redução nos valores de estresse interno traduz-se em uma resistência muito maior ao fenómeno de escamação, no qual pequenas porções do re- vestimento são desplacadas devido à ocorrência de microtrincas provocadas pelo acúmulo de tensões e pela baixa ductilidade. O grande inconveniente técnico estrutural é que a escamação tende a ocorrer em determinadas partes do anel, enquanto em outras partes o revestimento permanece intacto ou pouco danificado mesmo ao final da vida útil da peça.

Essa redução nos valores de estresse interno traz a reboque as vantagens de possibilitar um aumento na energia de adesão das camadas entre si com consequente redução da espessura do revestimento, possível uma vez que se consegue uma grande redução da escamação garantindo- se que, mesmo com uma espessura reduzida, haverá revestimento 3 durante toda a vida operacional do anel.

Por sua vez, os resultados alcançados no teste de riscamento ("Scratch Test') são também, no caso da presente invenção, substancialmente superiores, revelando que o revestimento 3 multicamadas CrN/Cr a- presenta maior tenacidade que o revestimento do estado da técnica (revestimento monocamada Cr), contribuindo de modo efetivo para uma maior resistência à delaminação do recobrimento.

É, portanto, evidente que o revestimento 3 multicamadas Metálica/Cerâmica 5,5' da presente invenção, de estrutura preferencial de cromo metálico e nitreto de cromo (na fase CrN ou Cr ₂ N), proporciona uma evidente melhora no compromisso entre uma maior capacidade de absorver o estresse concomitantemente com uma maior resistência à propagação superficial de trincas devido às melhores características de resistência ao estresse no cisalhamento externo, fato que resulta em uma performance superior do revestimento 3 da presente invenção para anéis de pistão 1 no que diz respeito à aderência coesiva (resistência à delaminação).

O processo de deposição aplicado na presente invenção é um processo de deposição física de vapor (PVD), preferivelmente por arco catódico, ou Arco-PVD que é uma técnica de PVD onde um arco elétrico é u- sado para vaporizar material de um catodo-alvo. O material vaporizado então condensa sobre um substrato e forma um filme fino.

Em essência, o controle da pressão do gás (por exemplo, nitro- génio) utilizado possibilita a produção das camadas 5,5' sequencialmente, sendo que as camadas compostas por nitreto de cromo têm um percentual de átomos de Nitrogénio entre 22% e 25% em peso, ao passo que nas camadas compostas por cromo metálico possuem substancialmente 0% de átomos de Nitrogénio. Para evitar a interferência dos diferentes níveis de nitrogénio em cada camada 5,5', são aplicadas elevadas velocidades de bombardeamento através de turbo bombas.

Os valores de espessura e periodicidade são considerados bastante estáveis por todo o revestimento (vide figura 2), no entanto, as cama- das 5,5' acompanham as deformidades da base 2, resultando nas formas visíveis da figura 2.

No caso do revestimento 3 da presente invenção, a maior dureza é obtida com a composição de nitreto de cromo e a maior ductilidade, por sua vez, é conseguida com o uso de cromo metálico. A combinação dessas duas composições na forma das camadas 5,5', tal como mencionado acima, traz vantagens surpreendentes, notadamente no benefício apresentado ao revestimento 3 como um todo pela sua maior capacidade de absorção de estresse interno. As camadas 5 de cromo metálico, mais dúcteis, absorvem os esforços e deformam, diminuindo assim as forças de deformação às quais as camadas 5' mais rígidas de nitreto de cromo são submetidas, proporcionando uma menor tendência ao aparecimento de microtrincas nestas. O resultado é um incremento considerável no desempenho do anel 1.

Ainda, pelo fato de que as camadas metálicas 5 dúcteis de cromo permitem uma melhor acomodação das camadas cerâmicas 5 mais du- ras de nitreto de cromo, ocorre uma redução da espessura do revestimento 3 sem prejuízo na resistência ao desgaste.

A concretização preferível do anel 1 , ilustrada na figura 2, apresenta uma dureza superficial da ordem de 1000 a 2.000 HV, sendo preferivelmente em torno de 1350 HV, com um estresse interno de cerca de -310 N/mm ² . De modo preferível, a espessura do revestimento (3) apresenta valores na faixa de cerca de substancialmente 10 a 60 mícrons, ou seja, apresenta espessura muito reduzida (ηΒηοΙθγβή. Opcionalmente, pode ser provida uma camada de adesão composta por cromo, níquel ou cobalto posicionada entre a base 2 e o revestimento 3.

Preferivelmente, o revestimento 3 é aplicado por toda a superfí- cie externa do anel 1 , mas nada impede que seja aplicado em partes determinadas, removido parcialmente ou ainda que, por sobre ele, aplique-se outra qualidade de revestimento qualquer. Um anel de pistão assim configurado continua incluído no escopo de proteção das reivindicações.

Tendo sido descrito exemplos de concretização preferidos, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, sendo limitado tão-somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.