BR102016021139A2 - Liga de ferro fundido vermicular e cabeçote de motor a combustão interna - Google Patents

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Abstract

“liga de ferro fundido vermicular e cabeçote de motor a combustão interna” a presente invenção ao campo tecnológico de ligas de ferro fundido para aplicações automobilísticas e congêneres. problema a ser resolvido: atualmente, peças estruturais de motores a combustão interna são confeccionadas ou em ligas ferro fundido cinzento que raramente apresentam uma faixa de limite de resistência à tração superior a 350 mpa ou ligas de ferro fundido vermicular que não se mantêm estáveis em temperaturas elevadas. resolução do problema: é revelada uma liga de ferro fundido vermicular que, em função da adição de quantidades de molibdênio, cobre e estanho, com fator de resistência a quente de 0,5 a 1,7% (frq = 3 x (%mo) + 1 x (%sn) + 0,25 x (%cu)) alcança um limite de resistência à tração de 500 a 550 mpa à temperatura ambiente e até 300°c, e um limite de resistência à tração de 430 a 450 mpa a 400°c.

Description

(54) Título: LIGA DE FERRO FUNDIDO VERMICULAR E CABEÇOTE DE MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA (51) Int. Cl.: C22C 37/10; C22C 37/00; F02F 1/00 (52) CPC: C22C 37/10,C22C 37/00,F02F 1/002, F02F 1/00 (73) Titular(es): TUPY S.A.
(72) Inventor(es): WILSON LUIZ GUESSER; ANDRÉ KOERICH RAMOS; CARLOS DE SOUZA CABEZAS; HECTOR MANCHA MOLINAR (74) Procurador(es): DANIEL ADVOGADOS (ALT.DE DANIEL & CIA) (57) Resumo: LIGA DE FERRO FUNDIDO VERMICULAR e CABEÇOTE DE MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA A presente invenção ao campo tecnológico de ligas de ferro fundido para aplicações automobilísticas e congêneres. Problema a ser resolvido: Atualmente, peças estruturais de motores a combustão interna são confeccionadas ou em ligas ferro fundido cinzento que raramente apresentam uma faixa de limite de resistência à tração superior a 350 MPa ou ligas de ferro fundido vermicular que não se mantêm estáveis em temperaturas elevadas. Resolução do problema: É revelada uma liga de ferro fundido vermicular que, em função da adição de quantidades de Molibdênio, Cobre e Estanho, com Fator de Resistência a Quente de 0,5 a 1,7% (FRQ - 3 x (%Mo) + 1 x (%Sn) + 0,25 x (%Cu)) alcança um limite de resistência à tração de 500 a 550 MPa à temperatura ambiente e até 300°C, e um limite de resistência à tração de 430 a 450 MPa a 400° C.
450 BeSOOSnCuMo
Figure BR102016021139A2_D0001
1/9 “LIGA DE FERRO FUNDIDO VERMICULAR E CABEÇOTE DE MOTOR A COMBUSTÃO INTERNA”
Campo da Invenção [001]A presente invenção refere-se a uma nova liga de ferro fundido vermicular projetada para a confecção de cabeçotes de motores a combustão interna e, mais particularmente, uma liga de ferro fundido vermicular que, dotada de requisitos especiais de propriedades mecânicas em elevadas temperaturas, é especialmente adequada para confecção de cabeçotes de motores a combustão interna de alta eficiência.
[002]A invenção em questão também se refere ao cabeçote de motor a combustão interna confeccionado com a liga de ferro fundido vermicular ora revelada.
Fundamentos da Invenção [003]Como é do conhecimento geral dos técnicos versados no assunto, motores de combustão interna compreendem máquinas hábeis em transformar energia proveniente de uma reação química em energia mecânica aproveitável. Em linhas gerais, o processo de conversão de energias ocorre em função da manipulação controlada das características físico-químicas de um combustível, o qual sofre alterações de volume, pressão e temperatura. Evidentemente, a manipulação controlada das características físico-químicas do combustível ocorre no interior de um ambiente controlado, ou seja, no interior do próprio motor a combustão interna. Neste sentido, sabe-se que o ambiente controlado de motores a combustão interna, especialmente aqueles aplicados em veículos automotores, é definido no volume resultante da junção de peças estruturais normalmente conhecidas como bloco de motor e cabeçote de motor.
[004]Isto significa que o material de confecção destas peças estruturais influencia diretamente na eficiência do motor a combustão interna como um todo, afinal, este material de confecção deve reunir características especiais que tornem estas peças estruturais hábeis de suportar as alterações de volume, pressão e temperatura do combustível.
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2/9 [005]Com isto, nota-se que a procura por materiais fundidos de alta resistência mecânica tem sido intensa por parte da indústria automotiva, objetivando o aumento da potência de motores.
[006]De todo modo, é do conhecimento dos técnicos versados no assunto que as peças estruturais de motores a combustão interna costumam ser confeccionados em ferro fundido cinzento de alta resistência ou em ferro fundido vermicular de alta resistência.
[007]Um exemplo de liga de ferro fundido cinzento especialmente utilizada para confecção de cabeçotes de motores a combustão interna é descrito no documento patentário US9132478. Tal documento descreve uma liga de ferro fundido cinzento lamelar fundamentalmente composta pela adição de carbono (2,80% a 3,60%), silício (1,00% a 1,70%), manganês (0,10% a 1,20%), enxofre (0,03% a 0,15%), cromo (0,05% a 0,30%), molibdênio (0.05% a 0.30%) e estanho (0.05% a 0.20%) no ferro fundido, sendo a matriz estrutural da liga construída com, no máximo, 5% de ferrita. Embora a liga de ferro fundido cinzento descrita no documento patentário US9132478 contenha altos teores de molibdênio, o que é favorável para fornecer boas propriedades mecânicas, trata-se ainda de um ferro fundido cinzento, e portanto com valores limitados de resistência em no máximo 350 MPa.
[008]Também são conhecidas demais ligas ferro fundido cinzento com adição de cromo e molibdênio com valores razoáveis de resistência a quente. Entretanto, o aumento da temperatura dos gases de combustão nos novos motores mostra que esta técnica não é mais adequada para as novas situações. O aumento do teor de molibdênio para até 0,35% resolve parcialmente o problema, aumentando em certa medida a resistência a quente, sem que, entretanto, se aplique uma solução definitiva, pois se atinge no máximo 350 MPa de limite de resistência, valor limite para os ferros fundidos cinzentos.
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3/9 [009]Isto significa que as conhecidas ligas de ferros fundidos cinzentos raramente apresentam uma faixa de limite de resistência à tração superior a 350 MPa, o que limita o uso deste tipo conceitual de liga para a confecção de peças estruturais de motores a combustão interna com maiores níveis de solicitação mecânica.
[010]Já no que diz respeito às ligas de ferro fundido vermicular, Guesser et al. (avaliação da usinabilidade do ferro fundido vermicular através de ensaios de furação, publicado no 6° congresso brasileiro de engenharia de fabricação realizado de 11 a 15 de abril de 2011 em Caxias do Sul, RS, Brasil) ensina que o ferro fundido vermicular, o qual foi obtido por acaso durante a fabricação do ferro fundido nodular, devido a erros de composição química, faz parte do estado da técnica desde meados de 1965, conforme descrito no documento patentário US3421886. Do ponto de vista conceitual, o ferro fundido vermicular é caracterizado pelo fato de compreender a grafita em forma de vermes (forma alongada e aleatoriamente orientada, com extremidades redondas) disposta em uma matriz perlítica ou ainda ferrítico/perlítica.
[011]A primeira liga de ferro fundido vermicular, tal como descrito no documento patentário US3421886, é fundamentalmente composta pela adição de carbono (2% a 4%), silício (1,5% a 3,5%), níquel (cerca de 36%), magnésio (0.005% a 0.06%), um dentre os metais do grupo 3B da tabela periódica (de 0.001% a 0.015%) e titânio (0.15% a 0.5%) em ferro fundido, sendo o magnésio, o metal do grupo 3B da tabela periódica e o titânio eficazes para controlar a ocorrência da grafita em forma vermicular (pelo menos 50%) no ferro fundido. Esta quantidade de grafita vermicular hoje não é mais aceita pelas normas internacionais de blocos e cabeçotes de motor, que estabelecem um mínimo de 80% de grafita vermicular.
[012]Evidentemente, as ligas de ferro fundido vermicular foram evoluindo ao longo dos anos, de acordo com as múltiplas e diferentes aplicações desejadas.
[013]Um exemplo de liga de ferro fundido vermicular para aplicações automobilísticas é descrito no documento patentário PI01059874. Tal documento descreve
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4/9 uma liga de ferro fundido vermicular fundamentalmente composta pela adição de carbono (3,5% a 3,8%), silício (2,0% a 2,6%), cromo (inferior a 0,05%), manganês (inferior a 0,40%) e titânio (inferior a 0,015%) em ferro fundido, sendo o cromo, manganês e titânio eficazes para controlar a ocorrência de 10 a 13% de grafita predominantemente vermicular e até 20% de grafita predominantemente nodular na microestrutura do ferro fundido, a qual revela-se isenta de grafita lamelar. Adicionalmente, verifica-se ainda que a liga de ferro fundido vermicular descrita no documento patentário PI01059874 compreende uma microestrutura cuja matriz metálica é constituída de ferrita e perlita, sendo a proporção de perlita igual ou superior a 50%.
[014]Embora se verifique que a liga de ferro fundido vermicular descrita no documento patentário PI01059874 apresente altas propriedades mecânicas à temperatura ambiente, nota-se que tais propriedades não se mantêm estáveis em temperaturas elevadas, limitando assim o uso desta liga para a confecção de peças estruturais de motores a combustão interna que operam em altas temperaturas.
[015]Um outro exemplo de liga ferrosa para aplicações automobilísticas é descrito no documento patentário JP1986026754. Tal documento descreve uma liga de ferro fundido (que pode ser ferro fundido maleável, ferro fundido cinzento ou ferro fundido vermicular) fundamentalmente composta pela adição de carbono (2,5% a 4,0%), silício (0,8% a 1,5%), manganês (0,3% a 1,5%), fósforo (0,05% a 1,5%), enxofre (inferior a 0,3%), níquel (igual ou inferior a 2,5%), cromo (igual ou inferior a 1,5%), molibdênio (igual ou inferior a 0,8%), estanho (igual ou inferior a 0,5%), cobre (igual ou inferior a 4,0%) e zircônio (igual ou inferior a 1%) em ferro fundido. Em particular, esta liga de ferro fundido é especialmente utilizada para a confecção de camisas de cilindro de dupla parede de motores a combustão interna.
[016]A liga descrita no documento patentário JP1986026754 proporciona alta resistência ao desgaste a quente devido à formação de partículas duras, tais como fosfetos de cromo e molibdênio (partículas duras e estáveis em alta temperatura). Esta
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5/9 liga apresenta teor de fósforo alto (>0,05%), próprio para a formação de partículas duras resistentes ao desgaste, em peça de geometria simples como camisas de cilindros, porém incompatível com a produção de peças fundidas complexas, como cabeçotes de motores, onde o efeito do alto teor de fósforo traz enormes dificuldades de sanidade interna, favorecendo a presença de microrechupes. Além disso esta liga, assim como ocorre com as ligas de ferros fundidos cinzentos tradicionais, não apresenta valores altos de resistência à tração, por exemplo, acima de 500 MPa, pois afinal a presença de fosfetos na microestrutura causa diminuição da resistência à tração, já que estas partículas induzem a formação de trincas na matriz sob solicitação mecânica, o que é agravado ainda pela presença de microporosidades oriundas do alto teor de fósforo. No caso específico de aplicações de desgaste este fato não representa um grande problema, e esta liga é então adequada para para camisas de cilindro, porém para peças de geometria complexa e em utilizações sob altos níveis de solicitações mecânicas, esta alternativa não representa uma solução. É, então, com base neste cenário que surge a presente invenção.
Objetivos da Invenção [017]Portanto, é o objetivo principal da invenção em questão revelar uma nova liga de ferro fundido vermicular com limite de resistência à tração de 500 a 550 MPa à temperatura ambiente e até 300°C, e limite de resistência à tração de 430 a 450 MPa a 400°C.
[018]É também um dos objetivos da invenção em questão revelar um cabeçote de motor a combustão interna que, confeccionado a partir da nova liga de ferro fundido vermicular com limite de resistência à tração de 500 a 550 MPa à temperatura ambiente e até 300°C, e limite de resistência à tração de 430 a 450 MPa a 400°C, hábil de suportar altas temperaturas de operação e altos níveis de solicitação mecânica.
[019]É ainda um dos objetivos da invenção em questão revelar um cabeçote
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6/9 de motor a combustão interna que, confeccionado a partir da nova liga de ferro fundido vermicular com limite de resistência à tração de 500 a 550 MPa à temperatura ambiente e até 300°C, e limite de resistência à tração de 430 a 450 MPa a 400°C, seja capaz de otimizar as condições de extração de calor tão importantes em motores de combustão interna.
Breve Descrição das Figuras [020]A presente patente de invenção passa a ser pormenorizadamente detalhada com base nas figuras abaixo listadas, as quais:
[021]A figura 1 ilustra gráficos de resultados de propriedades mecânicas e microestrutura de ferro vermicular ligado com Sn, Cu e Mo, comparativamente à classe convencional #450. Bloco Y de 25 mm espessura; e [022]A figura 2 ilustra a microestrutura típica de ferro vermicular contendo Sn, Mo e Cu, com FRQ = 1,15% (partícula de grafita vermicular e perlita refinada).
Descrição Detalhada da Invenção [023]Dessa forma, com a finalidade de se atingir os objetivos e efeitos técnicos acima indicados é descrita a liga de ferro fundido vermicular, de acordo com a presente invenção.
[024]Neste sentido, é o mérito geral da invenção adicionar molibdênio, cobre e estanho em proporções equilibradas e adequadas, à lista de elementos de liga já convencionalmente utilizados em ferro fundido vermicular, sem que haja a adição de demais elementos capazes de formarem fosfetos duros, como, por exemplo, o cromo associado a altos teores de fósforo (>0,05%) e outros.
[025]Dentre os possíveis elementos de liga já utilizados em ferro fundido vermicular, em suas composições típicas e teores usuais, tais como carbono (3,0-3,9%), manganês (0,1-0,6%), silício (1,5-3,0%), magnésio (0,005-0,030%), cério (0,0050,030%), e presentes ainda os elementos residuais tais como enxofre (inferior a
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0,030%) e fósforo (inferior a 0,050%), são adicionados à liga de ferro fundido vermicular, objeto da presente invenção, os seguintes: Molibdênio, Estanho e Cobre.
[026]Mais particularmente, tais elementos de liga são especialmente adicionados nas seguintes proporções:
[027]Molibdênio em uma faixa de 0,05% a 0,40% da quantidade total da liga.
[028]Estanho em uma faixa de 0,01% a 0,13% da quantidade total da liga.
[029]Cobre em uma faixa de 0,2% a 1,30% da quantidade total da liga.
[030]Estas quantidades de molibdênio, cobre e estanho devem estar equilibradas, de modo que o Fator de Resistência a Quente (FRQ) situe-se entre 0,5 a 1,7%. Este fator é aqui definido por:
[031]FRQ = 3 x (%Mo) + 1 x (%Sn) + 0,25 x (%Cu) (percentagens em peso) [032]Evidentemente, a liga de ferro fundido vermicular, objeto da presente invenção, pode conter ainda demais impurezas típicas de ferros fundidos que não alteram ou prejudicam as características almejadas.
[033]Conforme anteriormente mencionado, os referidos resultados almejados - limite de resistência à tração de 500 a 550 MPa à temperatura ambiente e até 300°C, e limite de resistência à tração de 430 a 450 MPa a 400°C - são particularmente alcançados em função da adição de Molibdênio, Estanho e Cobre, nas faixas anteriormente mencionadas e dentro do Fator de Resistência a Quente também anteriormente mencionado. Estas adições de molibdênio, cobre e estanho podem ser efetuadas no forno de fusão, em panela de transporte ou de vazamento, em forno vazador ou ainda no jato de vazamento.
[034]Como resultado final da adição dos elementos de liga acima listados, nas proporções acima informadas, por meio do processo acima explicado, obtém-se um ferro vermicular cuja microestrutura compreende uma matriz de perlita fina, com partículas de grafita predominantemente em forma vermicular e com presença de nódulos de grafita em até 20%, sendo o espaçamento interlamelar médio da perlita reduzido,
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8/9 por exemplo, num bloco Y de 25 mm de espessura, de 0,32 cm para 0,25 dm, conforme ilustrado na figura 1.
[035]Inclusive, vale destacar, a diminuição do espaçamento interlamelar médio da perlita (figura 2) compreende uma das principais causas do aumento da resistência mecânica da liga de ferro fundido vermicular, objeto da presente invenção.
[036]Consequentemente, torna-se possível confeccionar um cabeçote de motor a combustão interna (e, por ventura, demais peças estruturais de motores a combustão interna) com a citada liga de ferro fundido contendo os teores usuais de carbono (3,0-3,9%), manganês (0,1-0,6%), silício (1,5-3,0%), magnésio (0,005-0,030%), cério (0,005-0,030%), e presentes ainda os elementos residuais tais como enxofre (inferior a 0,030%) e fósforo (inferior a 0,050%), sendo especialmente adicionados Estanho em uma faixa de 0,01 a 0,13% da quantidade total de liga, Cobre em uma faixa de 0,2% a 1,3% da quantidade total da liga, e Molibdênio em uma faixa de 0,05% a 0,40% da quantidade total da liga, percentuais expresso em peso. Estas quantidades de molibdênio, cobre e estanho devem estar equilibradas, de modo que o Fator de Resistência a Quente (FRQ) situe-se entre 0,5 a 1,7%. Este fator é definido por:
[037]FRQ = 3 x (%Mo) + 1 x (%Sn) + 0,25 x (%Cu) (percentagens em peso) [038]De toda forma, as mesmas características da matriz da microestrutura da liga de ferro fundido vermicular (matriz de perlita fina com partículas de grafita predominantemente em forma vermicular e presença de nódulos de grafita em até 20%,), bem como os resultados almejados (limite de resistência à tração de 500 a 550 MPa à temperatura ambiente e até 300°C e limite de resistência à tração de 430 a 450 MPa a 400°C) são integralmente presentes no cabeçote de motor a combustão interna.
[039]Por consequência, estes altos valores de resistência a quente permitem uma longa vida do componente e, alternativamente, permite rever o projeto dimensional do cabeçote, reduzindo espessuras de seção, o que resulta ainda em melhoria das condições de extração de calor, aspecto importante em cabeçotes de motores de
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9/9 combustão interna.
[040]Isto significa que a invenção em questão permite o desenvolvimento de cabeçotes de motor de desempenho superior, adequados para altas temperaturas de operação de motores e altos níveis de solicitação mecânica.
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Claims (4)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1 .Liga de ferro fundido vermicular, contendo os teores usuais dos elementos carbono (3,0-3,9%), manganês (0,1-0,6%), silício (1,5-3,0%), magnésio (0,0050,030%), cério (0,005-0,030%), e presentes ainda os elementos residuais tais como enxofre (inferior a 0,030%) e fósforo (inferior a 0,050%), CARACTERIZADA pelo fato de compreender uma liga de ferro fundido vermicular com os seguintes elementos de liga nas respectivas proporções:
    Estanho, existente em uma faixa de 0,01% a 0,13% da quantidade total da liga,
    Cobre, existente em uma faixa de 0,2% a 1,3% da quantidade total da liga, e
    Molibdênio, existente em uma faixa de 0,05% a 0,40% da quantidade total da liga;
    teores estes equilibrados de forma a que o Fator de Resistência a Quente (FRQ) situe-se entre 0,5 a 1,7%, fator este definido por:
    FRQ = 3 x (%Mo) + 1 x (%Sn) + 0,25 x (%Cu) (percentagens em peso) sendo que a matriz da microestrutura da referida liga de ferro fundido vermicular compreende uma matriz perlítica fina com partículas de grafita predominantemente em forma vermicular e com presença de nódulos de grafita em até 20%;
  2. 2.Cabeçote de motor a combustão interna, contendo os teores usuais dos elementos carbono (3,0-3,9%), manganês (0,1-0,6%), silício (1,5-3,0%), magnésio (0,005-0,030%), cério (0,005-0,030), e presentes ainda os elementos residuais tais como enxofre (inferior a 0,030%) e fósforo (inferior a 0,050%), CARACTERIZADO por compreender os seguintes elementos de liga:
    Estanho, existente em uma faixa de 0,01% a 0,13% da quantidade total da liga,
    Cobre, existente em uma faixa de 0,2% a 1,3% da quantidade total da liga, e
    Molibdênio, existente em uma faixa de 0,05% a 0,40% da quantidade total da
    Petição 870160051285, de 13/09/2016, pág. 11/24
    2/4 liga;
    teores estes equilibrados de forma a que o Fator de Resistência a Quente (FRQ) situe-se entre 0,5 a 1,7%, fator este definido por:
    FRQ = 3 x (%Mo) + 1 x (%Sn) + 0,25 x (%Cu) (percentagens em peso) sendo que a matriz da microestrutura da referida liga de ferro fundido vermicular compreende uma matriz perlítica fina com partículas de grafita predominantemente em forma vermicular e presença de nódulos de grafita em até 20%;
  3. 3.Liga de ferro fundido vermicular, compreendendo pelo menos os seguintes elementos de liga nas respectivas proporções:
    Carbono, existente em uma faixa de3,0% a 3,9% da quantidade total da liga,
    Manganês, existente em uma faixa de0,1% a 0,6% da quantidade total da liga,
    Silício, existente em uma faixa de1,5% a 3,0% da quantidade total da liga,
    Magnésio, existente em uma faixa de0,00% a 0,030% da quantidade total da liga,
    Cério, existente em uma faixa de 0,005% a 0,030% da quantidade total da liga,
    Enxofre, existente em uma faixa inferior a 0,030% da quantidade total da liga
    Fósforo, existente em uma faixa inferior a 0,050%% da quantidade total da liga, a referida liga de ferro fundido vermicular sendo especialmente CARACTERIZADA pelo fato de compreender ainda seguintes elementos de liga nas respectivas proporções:
    Estanho, existente em uma faixa de 0,01% a 0,13% da quantidade total da liga,
    Cobre, existente em uma faixa de 0,2% a 1,3% da quantidade total da liga, e
    Molibdênio, existente em uma faixa de 0,05% a 0,40% da quantidade total da liga;
    Petição 870160051285, de 13/09/2016, pág. 12/24
    3/4 teores estes equilibrados de forma a que o Fator de Resistência a Quente (FRQ) situe-se entre 0,5 a 1,7%, fator este definido por:
    FRQ = 3 x (%Mo) + 1 x (%Sn) + 0,25 x (%Cu) (percentagens em peso) sendo que a matriz da microestrutura da referida liga de ferro fundido vermicular compreende uma matriz perlítica fina com partículas de grafita predominantemente em forma vermicular e com presença de nódulos de grafita em até 20%.
  4. 4.Cabeçote de motor a combustão interna, sendo CARACTERIZADO pelo fato de ser confeccionado em uma liga de ferro fundido vermicular que compreende os seguintes elementos de liga nas respectivas proporções:
    Carbono, existente em uma faixa de3,0% a 3,9% da quantidade total da liga,
    Manganês, existente em uma faixa de0,1% a 0,6% da quantidade total da liga,
    Silício, existente em uma faixa de1,5% a 3,0% da quantidade total da liga,
    Magnésio, existente em uma faixa de0,00% a 0,030% da quantidade total da liga,
    Cério, existente em uma faixa de 0,005% a 0,030% da quantidade total da liga,
    Enxofre, existente em uma faixa inferior a 0,030% da quantidade total da liga,
    Fósforo, existente em uma faixa inferior a 0,050%% da quantidade total da liga,
    Estanho, existente em uma faixa de 0,01% a 0,13% da quantidade total da liga,
    Cobre, existente em uma faixa de 0,2% a 1,3% da quantidade total da liga, e
    Molibdênio, existente em uma faixa de 0,05% a 0,40% da quantidade total da liga;
    teores estes equilibrados de forma a que o Fator de Resistência a Quente (FRQ) situe-se entre 0,5 a 1,7%, fator este definido por:
    FRQ = 3 x (%Mo) + 1 x (%Sn) + 0,25 x (%Cu) (percentagens em peso)
    Petição 870160051285, de 13/09/2016, pág. 13/24
    4/4 sendo que a matriz da microestrutura da referida liga de ferro fundido vermicular compreende uma matriz perlítica fina com partículas de grafita predominantemente em forma vermicular e com presença de nódulos de grafita em até 20%.
    Petição 870160051285, de 13/09/2016, pág. 14/24
    1/1
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