A presente invenção refere-se a um anel de controle de óleo de três peças para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna, em cujo expansor e/ou segmentos anelares superior e inferior é aplicado um revestimento pelo processo de deposição química (CVD), conferindo ao anel resultante alta durabilidade e mantendo um custo de fabricação aceitável.

A presente invenção refere-se ainda ao elemento expansor e a um elemento anelar componente de um anel de controle de óleo de três peças, aos quais é aplicado o aludido revestimento pelo processo de deposição química (CVD).

Descrição do estado da técnica

Os motores de combustão interna são mecanismos transformadores de energia utilizados pela imensa maioria dos veículos automotores, e compreendem basicamente duas partes principais: um ou mais cabeçotes e o bloco do motor. Na base do(s) cabeçote(s) estão localizadas as câmaras de combustão (em motores a Diesel em geral as câmaras de combustão estão nas cabeças dos pistões) e no bloco do motor estão localizados os cilindros e o conjunto da árvore de manivelas ou conjunto do virabrequim. O conjunto da árvore de manivelas é composto por pistões, bielas e pelo virabrequim.

O motor converte a energia produzida pela combustão da mistu- ra (combustível e ar) nas câmaras de combustão, em energia mecânica capaz de imprimir movimento às rodas.

Como a força motriz necessária para movimentar o automóvel provém da queima da mistura ar/combustível na câmara de combustão, e a fim de assegurar uma combustão homogénea e sem queima de óleo e ainda evitar a passagem em demasia de gases do cilindro para o cárter, faz-se necessária a utilização de anéis para prover uma boa vedação da folga existente entre o pistão e a parede do cilindro. Na grande maioria dos motores de combustão interna atuais que operam segundo os ciclos Otto e Diesel utiliza-se três anéis, sendo dois a- néis de compressão e um anel de controle (raspador) de óleo. Os anéis de compressão têm a função de impedir a passagem dos gases da combustão para o interior do cárter e o anel de óleo tem a função de raspar o excesso de óleo da parede do cilindro e devolvê-lo ao cárter, controlando a espessura do filme de óleo para que o funcionamento do motor ocorra dentro das premissas de projeto e operação.

Outra função importante dos anéis é servir de ponte de trans- missão de calor desde o pistão até a parede do cilindro/camisa aonde ocorre a dissipação de caloria através do sistema de arrefecimento.

Os anéis raspadores de óleo podem ser de uma, duas ou de três peças. A presente solução foi desenvolvida na forma de um anel de três peças, que como regra geral possui um primeiro segmento anelar superior e um segundo segmento anelar inferior associados a um elemento intermediário, expansor, que pressiona de maneira controlada os segmentos superior e inferior de encontro à parede do cilindro. A força exercida pelo elemento expansor, que nada mais é do que um elemento resiliente, é calculada para que o filme de óleo na parede do cilindro apresente a espessura desejada.

Atualmente, a necessidade de maior eficiência térmica e potência específica dos motores, notadamente devido aos limites de emissão de poluentes e consumo de combustível e óleo lubrificante, têm levado a um aumento nas solicitações térmicas e mecânicas a que são acometidos os componentes internos dos motores, dentre os quais os anéis raspadores de óleo. Assim, em algumas aplicações mais recentes, a redução na durabilidade desses componentes têm sido considerável, ensejando aperfeiçoamentos.

O documento de patente japonês JP 5306461 refere-se a um membro deslizante qualquer para uso em um motor de combustão interna ao qual é aplicado um revestimento de TiCN de alta dureza, pelo processo de CVD.

O revestimento é aplicado a uma temperatura de cerca de 500°C - 600°C, com a aplicação de uma mistura gasosa de TiCU, H ₂ , CH ₄ e N ₂ , aquecimento até a fase de plasma e evaporação até a formação de um filme de alta dureza (entre 2500 e 3000 Vickers) de 2μηι -20pm.

Este documento, entretanto, não menciona a formação de um revestimento de carbeto de tungsténio nem tampouco sua aplicação a anéis raspadores de óleo.

O documento de técnica anterior japonês JP 3801250 refere-se a um anel raspador de óleo de duas peças no qual a superfície externa recebe um revestimento aplicado por PVD ou CVD. Mais especificamente, há a aplicação de um revestimento por PVD ou CVD a uma superfície geometricamente especificada, possuindo uma superfície em chanfro, ângulo ou inclinada paralela à sua circunferência interna e com largura entre 0,15mm - 0,3mm.

Este documento, entretanto, não menciona a formação de um revestimento de carbeto de tungsténio nem tampouco sua aplicação a anéis raspadores de óleo de três peças.

O documento JP06235462 refere-se a um anel combinado de três peças, onde os segmentos anelares superior e inferior recebem a aplicação de um revestimento de TiCN de alta dureza, pelo processo de CVD, com espessura entre 3μίτι - 15pm, em sua superfície lateral interna e um revestimento de nitreto de cromo entre 5pm - 50pm aplicado pelo processo de ion plating em sua superfície lateral externa.

Este documento, entretanto, não menciona a formação de um revestimento de carbeto de tungsténio nem tampouco sua deposição no e- lemento expansor do anel.

O documento de patente europeu EP 1686295 refere-se a um anel de óleo de três peças no qual o elemento espaçador compreende as projeções para associação dos segmentos anelares em aço inoxidável aus- tenítico submetido a um tratamento de nitretação em uma temperatura de 470°C ou superior de maneira a formar uma camada nitretada de 10 a 60 mícrons. Alternativamente uma camada de revestimento (resina) é formada em pelo menos uma superfície do expansor voltada para as superfícies dos segmentos anelares ou então nas superfícies dos segmentos anelares que interagem com o espaçador.

Este documento, entretanto, não menciona a formação de um revestimento de carbeto de tungsténio por CVD nem tampouco sua deposi- ção no elemento expansor do anel.

O documento de patente norte-americano US 5.718.437 refere- se a um anel de óleo de três peças onde os segmentos anelares superior e inferior são feitos em aço inoxidável martensítico e recebem um tratamento de nitretação. O elemento expansor, por sua vez, possui uma camada de nitretação sobre a qual é aplicado um revestimento de nitreto de cromo, formado pelo processo de ion plating, na superfície circunferencial externa da peça.

Este documento, entretanto, não menciona a formação de um revestimento de carbeto de tungsténio por CVD nem tampouco sua deposi- ção no elemento expansor do anel.

O documento de técnica anterior BRPI 0516273-4 refere-se a um material resistente a desgaste, erosão e quimicamente resistente contendo tungsténio ligado com carbono, o carbono estando presente em uma quantidade de 0,01 % em peso até 0,97% em peso do peso total. O material preferivelmente compreende uma matriz de tungsténio metálico com nano- partículas de carbeto de tungsténio dispersadas tendo um tamanho de partícula não maior que 50 nanômetros, preferivelmente não maior do que 10 nanômetros. O material é opcionalmente também ligado com flúor, o flúor estando presente em uma quantidade de 0,01 % em peso até 0,4% em peso do peso total.

Este documento, entretanto, não menciona a formação de um revestimento de carbeto de tungsténio com sua deposição em um anel de óleo de motor.

Por fim, o documento BRPI 9917267-4 refere-se a uma liga de carbeto de tungsténio com adição de flúor em até 0,5% em peso e a composições de fluorcarbono. Essas ligas podem ser produzidas a partir de um novo processo de deposição química por vapor (CVD), no qual gases hexa- cloreto de tungsténio e gases contendo carbono e hidrogénio são utilizados.

Uma característica específica desse processo é a prévia ativa- ção térmica do gás que contém carbono. O revestimento de carbeto de tungsténio é depositado ao componente cuja resistência se deseja aumen- tar.

Analogamente, este documento não menciona a formação de um revestimento de carbeto de tungsténio com sua deposição em um anel de óleo de motor.

Por tudo o acima exposto, não havia sido desenvolvido até o presente momento um anel raspador de óleo de três peças em cujo expansor e/ou segmentos anelares superior e inferior é aplicado um revestimento pelo processo de deposição química por vapor (CVD), conferindo ao anel resultante alta durabilidade e mantendo um custo de fabricação aceitável. Objetivos da invenção

A presente invenção tem por objetivo proporcionar um anel de três peças para uso no canalete de um pistão de um motor de combustão interna em cujo expansor e/ou segmentos anelares superior e inferior é aplicado um revestimento de carbeto de tungsténio pelo processo de deposição química por vapor (CVD), em uma temperatura que varia entre 450°C e 650°C.

A presente invenção objetiva, também, o elemento expansor e/ou os segmentos anelares superior e inferior, isoladamente, aos quais é aplicado um revestimento de carbeto de tungsténio pelo processo de deposição química por vapor (CVD), em uma temperatura que varia entre 450°C e 650°C. O elemento expansor e os segmentos anelares superior e inferior são objetivados tendo em vista o mercado de reposição, onde podem ser vendidos em conjunto, formando o anel, mas também isoladamente.

Breve descrição da invenção

Os objetivos da presente invenção são alcançados por um anel de controle de óleo de três peças para motores de combustão interna, composto por um elemento expansor ao qual são associados um primeiro segmento anelar superior e um segundo segmento anelar inferior dotados de uma primeira superfície lateral interna e uma segunda superfície lateral externa. Ao elemento expansor e/ou primeiro e segundo segmentos anelares é aplicado um revestimento de matriz de tungsténio metálico contendo nano- carbetos de tungsténio WC, W ₂ C, W ₃ C, W ₂ C ou uma mistura desses. O re- vestimento apresenta uma espessura entre 5μηη e 150pm, dureza entre 1000HV e 3500HV e é aplicado pelo processo de deposição química por vapor (CVD).

Também, os objetivos da presente invenção são alcançados por um elemento expansor, para utilização em um anel de controle de óleo de três peças para motores de combustão interna tal como acima objetivado, compreendendo uma pluralidade de regiões às quais os primeiro e segundo elementos anelares são associados e às quais é aplicado pelo processo de deposição química por vapor (CVD) um revestimento de matriz de tungsténio metálico contendo nanocarbetos de tungsténio WC, W ₂ C, W ₃ C, W ₂ C ou uma mistura desses, com espessura entre 5μηι e 150μιη e dureza entre 1000HV e 3500HV.

Ainda, os objetivos da presente invenção são alcançados por um elemento anelar para utilização em um anel de controle de óleo de três peças para motores de combustão interna tal como acima objetivado, o ele- mento sendo dotado de uma primeira superfície lateral interna e uma segunda superfície lateral externa, a ele sendo aplicado pelo processo de deposição química por vapor (CVD) um revestimento (7) de matriz de tungsténio metálico contendo nanocarbetos de tungsténio WC, W ₂ C, W ₃ C, Wi ₂ C ou uma mistura desses, com espessura entre 5pm e 150pm e dureza entre 1000HV e 3500HV.

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 perspectiva de parte de um anel raspador de óleo qualquer, onde se pode visualizar o elemento expansor e os segmentos anelares superior e inferior que o constituem. Figura 2 - é uma figura esquemática de uma pluralidade de segmentos anelares aos quais o revestimento de carbeto de tungsténio pelo processo de deposição química por vapor (CVD) foi aplicado nas respectivas superfícies laterais interna e externa.

Figura 3 - corresponde a uma fotografia em corte do elemento expansor do anel objeto da presente invenção e três vistas ampliadas.

Figura 4 - corresponde a uma vista em detalhe do revestimento de carbeto de tungsténio no anel de pistão objeto da presente invenção.

Figura 5 - é uma fotografia de um expansor de um anel de óleo atualmente conhecido, onde se vê um elevado desgaste após um determinado tempo de uso.

Figura 6 - é uma fotografia do expansor de um anel de óleo do anel objeto da presente invenção, que apresenta um desgaste bastante reduzido em comparação com o expansor ilustrado na figura 5.

Descrição detalhada das figuras

A figura 1 revela um anel de controle de óleo de três peças para uso no canalete de pistão de um motor de combustão interna qualquer, como por exemplo o anel 1 objeto da presente invenção. Pela figura, que ilustra uma vista em perspectiva parcial, vê-se claramente a existência de um elemento expansor 2 de formato substancialmente anelar dotado de uma pluralidade de regiões 9 (denominadas pads) para associação de um primeiro elemento anelar superior 3 e um segundo elemento anelar inferior 4, cada qual possuindo, respectivamente, uma primeira superfície lateral interna 5 e uma segunda superfície lateral externa 6.

O expansor 2 pressiona os primeiro e segundo elementos anelares 3,4 de encontro à parede do cilindro quando o anel está devidamente montado no motor, controlando a espessura do filme de óleo na parede do cilindro.

O anel objeto da presente invenção tem como inovação precípua o fato de o elemento expansor 2 e/ou os primeiro e segundo segmentos anelares 3,4 receberem um revestimento 7 de carbeto de tungsténio (WC) aplicado pelo processo de deposição física por vapor (CVD), algo que não é revelado por nenhum documento de técnica anterior e que confere ao presente anel características de durabilidade e custo de fabricação extremamente vantajosas.

Em um anel de óleo de três peças, o desgaste ocorre principal- mente na região de contato entre as superfícies laterais internas 5 dos segmentos anelares 3,4 e os pads 9 do expansor.

Na maioria dos produtos convencionais, é aplicado um revestimento de nitreto de cromo à região dos pads 9 por meio de deposição física por vapor (PVD) ou processo galvânico. Outra técnica usual atualmente con- siste em efetuar um procedimento de nitretação no elemento expansor, por difusão gasosa (com difusão de nitrogénio). Esse elemento químico, difuso na superfície, aumenta sua resistência da peça ao desgaste.

A aplicação de um revestimento 7 de carbeto de tungsténio ao elemento expansor 2 e aos primeiro e segundo segmentos anelares 3,4 no anel objeto da presente invenção, é especialmente adequada ao elemento expansor devido 2 à sua geometria complexa, porque garante a deposição de um filme na espessura desejada em locais como os pads 9, de maneira fácil e económica.

Descrevendo em outras palavras, por ser depositado homoge- neamente a todo o elemento expansor, o revestimento 7 é aplicado às regiões 9 do elemento expansor às quais os primeiro e segundo elementos anelares 3,4 são associados.

O processo de deposição química por vapor (CVD) é utilizado para aplicação de revestimentos em um dado substrato. Como regra geral, um substrato é exposto em um ambiente no qual elementos voláteis reagem e se depositam de forma homogénea em toda a superfície exposta, sendo portanto especialmente indicado para o expansor 2.

Além de aplicar o revestimento 7 de carbeto de tungsténio ao e- lemento expansor 2 de forma homogénea, revestindo adequadamente os pads 9, o mesmo processo de CVD é utilizado para aplicá-lo aos primeiro e segundo segmentos anelares 3,4 que preferivelmente mas não obrigatoriamente apresentam formato e constituição idênticas. De maneira preferível, uma série de segmentos anelares 3,4 é colocada empilhada tal e qual ilustrado na figura 2, e essa pilha é colocada no ambiente onde o revestimento será aplicado. Devido à reduzida espessura dos segmentos, é possível empilhar dezenas deles, o que cria uma super- fície lateral interna total e uma superfície lateral externa total grandes, eis que a somatória das superfícies de cada um dos segmentos empilhados.

Assim, em uma única etapa, consegue-se aplicar o revestimento às superfícies internas e externas 5,6 de diversos segmentos anelares 3,4, o que torna a fabricação desses componentes muito económica.

Alternativamente, é possível aplicar o revestimento de carbeto de tungsténio por CVD somente à superfície interna 5 do segmento anelar 3,4, somente à superfície externa 6, ou ainda a toda a superfície do segmento anelar, sem que a invenção resultante deixe de estar incluída no escopo de proteção das reivindicações apensas. Como outra alternativa possível mas não obrigatória, o revestimento 7 aplicado à superfície lateral interna 5 apresenta espessura de não mais do que 70% da espessura do revestimento aplicado à superfície lateral externa 6.

Em uma concretização preferível, o processo de CVD é realizado em uma temperatura substancialmente entre 450°C e 650°C, bastante mais reduzida em comparação com as temperaturas normalmente utilizadas nesse tipo de processo ( 000°C), garantindo que não há danos ao substrato (expansor 2 e/ou segmentos anelares 3,4) por exposição a temperaturas muito elevadas. O revestimento 7 é obtido pela reação química de gases, a saber, o hexafluoreto de tungsténio como gás que fornece o metal, o gás hidrogénio como gás reativo e um gás como propano ou metano que serve de fonte de carbono.

A combinação desses gases em proporções especificadas, em contato com o substrato aquecido (expansor 2 e/ou segmentos anelares 3,4) forma o revestimento, que o cobre por igual.

De modo preferível, os gases acima mencionados são inseridos em proporção especifica de forma que o revestimento 7 apresente matriz de tungsténio metálico contendo nanocarbetos de tungsténio WC, W ₂ C, W ₃ C, W ₁₂ C ou uma mistura desses, com espessura entre 5pm e 150μηι (mais preferivelmente entre 5μηι e 40μιτι) e dureza entre 1000HV e 3500HV.

Ainda preferivelmente, é aplicada previamente ao revestimento 7 uma camada de níquel puro 8 com função adesiva (bonding layer, vide figura 4), tendo uma espessura preferível entre Ι μπι e 5pm. A camada de níquel puro favorece a adesão da camada de carbeto de tungsténio formada e depositada pelo processo de CVD.

Ainda de acordo com uma concretização preferencial, não limi- tante, devido ao reduzido percentual de carbeto de tungsténio, o módulo de Young (E) é de cerca de 410 GPa, similar portanto ao do metal tungsténio puro. Trata-se de uma vantagem em relação aos revestimentos obtidos por deposição física de vapor (PVD), que apresentam valores típicos em torno de 250 GPa.

Como característica do revestimento 7 de carbeto de tungsténio formado, ele apresenta uma variação de dureza de forma que a dureza na superfície é reduzida de acordo com a profundidade do revestimento, a redução sendo de até 50% em relação à dureza na superfície.

O anel de pistão objeto da presente invenção apresenta uma série de vantagens e benefícios em relação aos anéis atualmente conhecidos, quais sejam:

(a) aumento da tenacidade e excelente adesão do revestimento 7 quando comparado com as soluções existentes;

(b) aumento da vida útil do anel de pistão pela deposição do revestimento de carbeto de tungsténio em regiões do expansor 2 nas quais, atualmente, a deposição é difícil, como os pads 9;

(c) aumento da resistência do anel à fadiga devido à eliminação da camada nitretada;

(d) aumento da resistência ao desgaste nas superfícies interna 5 e externa 6 dos segmento anelares 3,4.

Cumpre notar que são ainda invenções novas e dotadas de ati- vidade inventiva o elemento expansor 2 e o elemento anelar 3,4 construídos de acordo com os ditames da presente invenção. Esses elementos são im- portantes isoladamente não somente por conformarem o presente anel de pistão, mas também por serem vendidos isoladamente no mercado de reposição (aftermarket).

Em essência, o elemento expansor 2, para utilização no presen- te anel de controle de óleo de três peças para motores de combustão interna, compreende uma pluralidade de regiões (pads 9) às quais os primeiro e segundo elementos anelares 3,4 são associados. A elas é aplicado pelo processo de deposição química por vapor (CVD) um revestimento 7 de matriz de tungsténio metálico contendo nanocarbetos de tungsténio WC, W ₂ C, W ₃ C, W ₁₂ C ou uma mistura desses, com espessura entre 5pm e 150pm e dureza entre 1000HV e 3500HV.

O elemento anelar 3,4 para utilização no presente anel de controle de óleo de três peças para motores de combustão interna, por sua vez, é dotado das aludidas primeira superfície lateral interna 5 e segunda superfí- cie lateral externa 6, e a ele é aplicado pelo processo de deposição química por vapor (CVD) um revestimento 7 de matriz de tungsténio metálico contendo nanocarbetos de tungsténio WC, W2C, W ₃ C, W12C ou uma mistura desses, com espessura entre 5μητι e 150μηι e dureza entre 1000HV e 3500HV.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, deve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possíveis variações, como por exemplo, o uso de tratamentos superficiais e reco- brimentos cerâmicos e metálicos, com a finalidade de melhorar as características de resistência ao desgaste, corrosão e diminuição das forças de atri- to, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações apensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.