BR102018076878A2

BR102018076878A2 - gray cast iron cylinder liner with high mechanical strength

Info

Publication number: BR102018076878A2
Application number: BR102018076878-6A
Authority: BR
Inventors: Moyses Leite De Lima; Eduardo Albertin; Rafael Bettini Rabello; Samantha Uehara
Original assignee: Mahle Metal Leve S.A; Instituto De Pesquisas Tecnológicas De São Paulo S/a - Ipt
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-07-07

Abstract

a presente invenção camisa de cilindro em ferro fundido cinzento com elevada resistência mecânica descreve o material e o método de obtenção de um ferro fundido cinzento para produção de componentes de motor a combustão, especialmente camisas de cilindro, com elevada resistência mecânica o que significa um ferro fundido cinzento com limite de resistência acima de 400 mpa e dureza acima de 300 hb. esse material é constituído de uma matriz perlítica, grafita com morfologia lamelar e podendo conter o microconstituinte conhecido como esteadita (eutético com elevado teor de p). para obtenção do material com essa propriedade são utilizadas três estratégias simultaneamente: controle de composição química (ce entre 3,3 e 4,2), adição de nitrogênio (teor de n entre 90 e 150 ppm) e redução do espaçamento interlamelar da perlita ? eip (eip médio abaixo de 0,09 µm e microdureza média acima de 320 hv). os limites de composição química são estabelecidos pela tabela abaixo.the present invention gray cast iron cylinder liner with high mechanical strength describes the material and method of obtaining a gray cast iron for the production of combustion engine components, especially cylinder liners, with high mechanical strength which means an iron gray cast with resistance limit above 400 mpa and hardness above 300 hb. this material consists of a pearlitic matrix, graphite with lamellar morphology and may contain the microconstituent known as esteadite (eutectic with high p content). to obtain the material with this property, three strategies are used simultaneously: chemical composition control (ce between 3.3 and 4.2), nitrogen addition (n content between 90 and 150 ppm) and reduced interlayer spacing of the perlite? eip (average eip below 0.09 µm and average microhardness above 320 hv). the limits of chemical composition are established by the table below.

Description

GRAY CAST IRON CYLINDER SHIRT WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE

[001] A presente invenção refere-se a camisas de cilindro em ferro fundido cinzento para motores a combustão interna. A presente invenção propõe a obtenção de camisas de cilindro em ferro fundido cinzento com matriz perlítica obtidas por um processo de centrifugação em coquilhas metálicas.[001] The present invention relates to gray cast iron cylinder liners for internal combustion engines. The present invention proposes to obtain cylinder liners made of gray cast iron with a pearlitic matrix obtained by a process of centrifugation in metal molds.

TECHNICAL STATUS

[002] Nos últimos anos, diversas tecnologias estão sendo incorporadas aos motores a combustão interna com objetivo de reduzir o consumo de combustível, reduzir emissões, aumentar a potência e a eficiência energética. Para que esses objetivos sejam alcançados, os motores a combustão interna e seus componentes são submetidos a maiores esforços mecânicos e temperatura. Um dos componentes do motor a combustão submetido a essas condições é a camisa de cilindro. Por isso, a obtenção de camisas de cilindro com elevada resistência mecânica é importante.[002] In recent years, several technologies are being incorporated into internal combustion engines in order to reduce fuel consumption, reduce emissions, increase power and energy efficiency. For these objectives to be achieved, internal combustion engines and their components are subjected to greater mechanical stress and temperature. One of the components of the combustion engine subjected to these conditions is the cylinder liner. Therefore, obtaining cylinder liners with high mechanical resistance is important.

[003] Os principais materiais utilizados em camisas de cilindro são ferros fundidos. Esse conjunto de materiais pode apresentar diversas características microestruturais tanto com relação à morfologia da grafita como com relação às fases que constituem a matriz. Assim, as microestruturas dos ferros fundidos podem ser muito variadas e, portanto, esses materiais podem apresentar propriedades físicas em um grande intervalo de valores.[003] The main materials used in cylinder liners are cast irons. This set of materials can present several microstructural characteristics both in relation to the graphite morphology and in relation to the phases that constitute the matrix. Thus, the microstructures of cast iron can be very varied and, therefore, these materials can have physical properties over a wide range of values.

[004] Com relação à morfologia da grafita, os ferros fundidos podem ser classificados basicamente em três tipos: grafita lamelar (ferro fundido cinzento), grafita vermicular (ferro fundido vermicular) ou grafita esferoidal (ferro fundido nodular ou ferro fundido dúctil). A matriz dos ferros fundidos pode conter diversas fases ou microconstituintes típicos de ligas ferrosas como ferrita, austenita, perlita, ferrita acicular, martensita, etc. Além disso, essas fases podem estar presentes em diferentes frações. Como já mencionado, todas essas possibilidades de microestruturas implicam em uma ampla variação de propriedades. O controle da microestrutura dos ferros fundidos tanto com relação à morfologia da grafita como com relação aos constituintes da matriz são determinados pela sua composição química e por condições de processo.[004] Regarding the morphology of graphite, cast iron can be basically classified into three types: lamellar graphite (gray cast iron), vermicular graphite (vermicular cast iron) or spheroidal graphite (nodular cast iron or ductile cast iron). The cast iron matrix can contain several phases or microconstituents typical of ferrous alloys such as ferrite, austenite, perlite, acicular ferrite, martensite, etc. In addition, these phases can be present in different fractions. As already mentioned, all these possibilities of microstructures imply a wide range of properties. The control of the microstructure of cast iron both with respect to the graphite morphology and with respect to the matrix constituents are determined by their chemical composition and by process conditions.

[005] O ferro fundido cinzento (grafita lamelar) com matriz perlítica é o material mais amplamente utilizado para camisas de cilindro. Esse material têm as seguintes características importantes para fabricação de camisas: (1) tecnologia de fabricação amplamente difundida; (2) baixo custo de produção; (3) condutividade térmica relativamente elevada; (4) boa usinabilidade, o que reduz os custos de usinagem no processo de produção das camisas; (5) pode atingir as propriedades mecânicas necessárias para utilização em camisas de cilindro.[005] Gray cast iron (lamellar graphite) with a pearlitic matrix is the most widely used material for cylinder liners. This material has the following important characteristics for shirt manufacturing: (1) widespread manufacturing technology; (2) low production cost; (3) relatively high thermal conductivity; (4) good machinability, which reduces machining costs in the jacket production process; (5) can achieve the mechanical properties necessary for use in cylinder liners.

[006] Entretanto, como já apontado nesse documento, atualmente há uma demanda por aumento das propriedades mecânicas dos materiais utilizados em camisas de cilindro. Tais propriedades atualmente requeridas excedem aquelas obtidas normalmente pelos ferros fundidos cinzentos. Por outro lado, a aplicação de outros tipos de ferros fundidos impõe relevantes aumentos de custo de produção. Por isso, é uma clara necessidade o desenvolvimento de novos materiais para a fabricação de camisas de cilindro e outros componentes de motores a combustão.[006] However, as already pointed out in this document, there is currently a demand for increased mechanical properties of the materials used in cylinder liners. Such properties currently required exceed those normally obtained by gray cast irons. On the other hand, the application of other types of cast iron imposes significant increases in production costs. Therefore, there is a clear need for the development of new materials for the manufacture of cylinder liners and other components of combustion engines.

[007] O documento US8333923B2 (“High strength gray cast iron”) descreve um ferro fundido para aplicação em blocos de motor ou em partes que o compõe. O ferro fundido cinzento descrito nesse documento tem carbono equivalente (CE) da ordem de 4,1 com C entre 3,05% e 3,40% e Si entre 1,75% e 2,3%, sendo esse percentual em massa. Nesse material, a adição de nióbio seria responsável pelo aumento da propriedade mecânica e deveria ser adicionado em teores entre 0,05% e 0,30% em massa. O referido documento reivindica que o nióbio seria adicionado em substituição parcial ao molibdênio e teria efeitos semelhantes a esse elemento na microestrutura. O limite de resistência final do material estaria entre 290 MPa e 360 MPa com dureza entre 195 HB e 253 HB. Entretanto, a adição de nióbio pode implicar em aumento de custo na fabricação e causar a formação de carbonetos na matriz do material, o que causaria redução da usinabilidade e, assim, aumento de custo de produção. Além disso, o limite de resistência indicado é normalmente obtido nos ferros fundidos cinzentos utilizados atualmente para camisas de cilindro.[007] The document US8333923B2 (“High strength gray cast iron”) describes a cast iron for application in engine blocks or parts that compose it. The gray cast iron described in this document has carbon equivalent (EC) of the order of 4.1 with C between 3.05% and 3.40% and Si between 1.75% and 2.3%, this percentage being by weight. In this material, the addition of niobium would be responsible for the increase of the mechanical property and should be added in levels between 0.05% and 0.30% by weight. That document claims that niobium would be added in partial replacement to molybdenum and would have effects similar to that element in the microstructure. The final strength limit of the material would be between 290 MPa and 360 MPa with hardness between 195 HB and 253 HB. However, the addition of niobium may result in an increase in manufacturing costs and cause the formation of carbides in the material matrix, which would reduce machinability and thus increase production costs. In addition, the indicated strength limit is usually obtained from gray cast irons currently used for cylinder liners.

[008] O documento US8956565B2 (“Flake graphite cast iron and production method thereof") argumenta que a obtenção de um ferro fundido cinzento de elevada resistência mecânica é normalmente resolvida com a adição de elementos de liga como o molibdênio. Porém, a adição desse elemento de liga elevaria o custo de fabricação e poderia prejudicar a usinabilidade do material. Esse documento descreve a obtenção de um ferro fundido cinzento com teores relativamente elevados de manganês (Mn): entre 1,2% e 3,0% em massa. O referido documento indica haver disponibilidade de sucata de aço com elevado teor de manganês (Mn) e que, portanto, esses teores não elevariam o custo do material. Segundo descrito no documento, o Mn nesses teores pode aumentar a resistência do material, mas também pode contribuir para formação de carbonetos e evitar a formação da grafita. Para esses teores de Mn seria utilizado um teor de enxofre (S) entre 0,01% e 0,30%, mantendo uma relação Mn/S entre 3 e 300. Esse material apresenta uma microestrutura constituída de grafitas lamelares do tipo A e uma matriz perlítica com partículas de MnS dispersas. Segundo descrito no documento, uma das características importantes do material é o número de partículas de MnS que devem estar entre 200 e 1100 partículas por mm2. O material descrito no documento tem teor de C entre 2,4 % e 4,0%, teor de Si entre 2,8% e 3,7% e teor de Mn entre 1,2% e 3,0% (porcentagens em massa). O material com essas características obtido por fundição em moldes de areia apresenta limite de resistência de 250 MPa. Entretanto, esse material não foi avaliado na fabricação de camisas de cilindro e, além disso, o limite de resistência indicado é normalmente obtido nos ferros fundidos cinzentos utilizados atualmente para camisas de cilindro.[008] The document US8956565B2 ("Flake graphite cast iron and production method thereof") argues that obtaining a gray cast iron of high mechanical resistance is usually resolved with the addition of alloy elements such as molybdenum. However, the addition of this alloying element would increase the manufacturing cost and could impair the material's machinability.This document describes the achievement of a gray cast iron with relatively high levels of manganese (Mn): between 1.2% and 3.0% by mass. said document indicates that steel scrap with a high manganese (Mn) content is available and that, therefore, these levels would not increase the cost of the material. As described in the document, the Mn in these levels can increase the strength of the material, but it can also contribute to the formation of carbides and avoid the formation of graphite. For these Mn levels, a sulfur content (S) between 0.01% and 0.30% would be used, maintaining an Mn / S ratio between 3 and 300. This material The presents a microstructure consisting of lamellar graphites of type A and a pearlitic matrix with dispersed MnS particles. As described in the document, one of the important characteristics of the material is the number of MnS particles that must be between 200 and 1100 particles per mm2. The material described in the document has a C content between 2.4% and 4.0%, a Si content between 2.8% and 3.7% and an Mn content between 1.2% and 3.0% (percentages in pasta). The material with these characteristics obtained by casting in sand molds has a strength limit of 250 MPa. However, this material has not been evaluated in the manufacture of cylinder liners and, in addition, the indicated strength limit is usually obtained in the gray cast irons currently used for cylinder liners.

[009] O documento US9239111B2 (“Cylinder liner with high strength and wear resistance and manufacturing method thereof) descreve um ferro fundido para camisas de cilindro com matriz constituída de ferrita acicular, austenita com elevado teor de carbono e esteadita (eutético contendo fósforo). Esses constituintes da matriz seriam responsáveis pelo aumento de resistência mecânica com relação aos materiais normalmente utilizados para camisas de cilindro. Segundo esse documento, o material seria obtido por um processo de fundição por centrifugação, seguido de um tratamento térmico em atmosfera inerte, resfriamento isotérmico em banho de sal e, por fim, revenimento em baixa temperatura. A composição química do material submetido a esse processo deve conter C entre 3,0% e 3,3%; Si entre 2,0% e 2,3%; P entre 0,3% e 0,6%; S abaixo de 0,1%; Mn entre 0,3% e 0,6%; Mo entre 0,1% e 0,3%; e Nb entre 0,08% e 0,15% (porcentagens em massa). O material obtido com a composição e processo indicados no referido documento apresentaria dureza entre 38 HRC e 43 HRC e limite de resistência acima de 400 MPa. Além disso, apresentaria boa resistência à corrosão e elevado limite de resistência à fadiga. Entretanto, esse material teria elevado custo de produção tendo em vista a etapa de tratamento térmico a que deve ser submetido para que atinja tais propriedades. Além disso, foi descrito no documento a presença de carbonetos de Mo e Nb na microestrutura do material, o que poderia diminuir a usinabilidade e, assim, aumentar o custo de produção das camisas de cilindro.[009] The document US9239111B2 (“Cylinder liner with high strength and wear resistance and manufacturing method thereof) describes a cast iron for cylinder liners with matrix consisting of acicular ferrite, austenite with high carbon content and steadite (eutectic containing phosphorus). These constituents of the matrix would be responsible for the increase of mechanical resistance in relation to the materials normally used for cylinder liners. According to this document, the material would be obtained by a casting process by centrifugation, followed by heat treatment in an inert atmosphere, isothermal cooling in a salt bath and, finally, tempering at low temperature. The chemical composition of the material submitted to this process must contain C between 3.0% and 3.3%; Si between 2.0% and 2.3%; P between 0.3% and 0.6%; S below 0.1%; Mn between 0.3% and 0.6%; Mo between 0.1% and 0.3%; and Nb between 0.08% and 0.15% (percentages by mass). The material obtained with the composition and process indicated in that document would have a hardness between 38 HRC and 43 HRC and a strength limit above 400 MPa. In addition, it would have good corrosion resistance and high fatigue strength. However, this material would have a high production cost in view of the heat treatment stage to which it must be submitted to achieve such properties. In addition, the presence of Mo and Nb carbides in the material's microstructure was described in the document, which could decrease machinability and, thus, increase the production cost of cylinder liners.

[0010] O documento US9783875B2 (“Cast iron material and motor vehicle part made of cast iron material") descreve um ferro fundido com grafita lamelar e matriz ferrítica com objetivo de obter um material com elevada condutividade térmica. O material descrito nesse documento tem a seguinte composição química: C entre 3,9% e 4,2%; Si entre 0,3% e 0,9%; Al entre 2,0 e 7,0%; Bi entre 0,005% e 0,03%; Ti máximo de 0,02% (porcentagens em massa). As principais características desse ferro fundido são: o teor elevado de Al e o teor relativamente baixo de Si. Esse documento reivindica que o elevado teor de Al levaria à formação de uma camada de óxido estável na superfície do material e, assim, aumentaria sua resistência ao desgaste e à corrosão com relação aos ferros fundidos normalmente utilizados para componentes de motor mesmo em temperatura de trabalho da ordem de 600 °C. Por outro lado, embora a literatura técnica indique a adição de Al em ferros fundidos cinzentos, essa prática tem sido pouco aplicada em processos produtivos tendo em vista o aumento da tendência à formação de óxidos durante a fundição o que causa rejeição de peças. Não foi indicado no referido documento as propriedades mecânicas do material proposto (limite de resistência, por exemplo). Além disso, não é objeto da presente invenção a utilização de elevados teores de alumínio na composição do material e / ou a obtenção de um material com matriz ferrítica.[0010] The document US9783875B2 (“Cast iron material and motor vehicle part made of cast iron material") describes a cast iron with lamellar graphite and ferritic matrix in order to obtain a material with high thermal conductivity. The material described in this document has the following chemical composition: C between 3.9% and 4.2%; Si between 0.3% and 0.9%; Al between 2.0 and 7.0%; Bi between 0.005% and 0.03%; Ti maximum of 0.02% (percent by mass). The main characteristics of this cast iron are: the high content of Al and the relatively low content of Si. This document claims that the high content of Al would lead to the formation of an oxide layer stable on the surface of the material and thus increase its resistance to wear and corrosion in relation to cast irons normally used for engine components even at a working temperature of 600 ° C. On the other hand, although the technical literature indicates the addition of Al to gray cast irons, this practice has been little o applied in production processes in order to increase the tendency to form oxides during casting which causes parts rejection. The mechanical properties of the proposed material were not indicated in that document (strength limit, for example). In addition, it is not the object of the present invention to use high levels of aluminum in the composition of the material and / or to obtain a material with a ferritic matrix.

[0011] O documento US9850846B1 (“Cylinder liner and method of forming the same”) descreve a microestrutura, as propriedades e o método de obtenção de um ferro fundido nodular austemperado para fabricação de camisas de cilindro. A microestrutura do material descrito nesse documento seria constituída de grafitas esferoidais e matriz de ausferrita (austenita com elevado teor de carbono e ferrita acicular). Esse documento reivindica que a obtenção de uma grafia nodular ao invés de grafitas lamelares é a característica fundamental no aumento da propriedade desse material com relação aos ferros fundidos cinzentos comumente utilizados para componentes de motor. O material obtido por um processo de centrifugação na forma de um tubo é submetido a um tratamento térmico de austêmpera: austenitização (850 °C - 900 °C) seguido de têmpera em banho de sal ( 375 °C - 400 °C). O limite de resistência estaria entre 850 MPa e 900 MPa e dureza entre 290 HB e 340 HB. Entretanto, a obtenção de componentes obtidos com o material e processo descrito no referido documento implicaria em um significativo aumento de custo de produção tendo em vista os seguintes pontos: processo de nodularização; necessidade de realização do tratamento térmico; e redução de usinabilidade do material quando comparado ao ferro fundido cinzento.[0011] Document US9850846B1 ("Cylinder liner and method of forming the same") describes the microstructure, properties and method of obtaining austemperated nodular cast iron for the manufacture of cylinder liners. The microstructure of the material described in this document would consist of spheroidal graphites and ausferrite matrix (austenite with a high carbon content and acicular ferrite). This document claims that obtaining nodular spellings instead of lamellar graphites is the fundamental characteristic in increasing the property of this material in relation to the gray cast iron commonly used for engine components. The material obtained by a centrifugation process in the form of a tube is subjected to austempere thermal treatment: austenitization (850 ° C - 900 ° C) followed by quenching in a salt bath (375 ° C - 400 ° C). The strength limit would be between 850 MPa and 900 MPa and hardness between 290 HB and 340 HB. However, obtaining components obtained with the material and process described in the referred document would imply a significant increase in production costs in view of the following points: nodularization process; need for heat treatment; and reduced machinability of the material when compared to gray cast iron.

[0012] O documento US9506421B2 (“Cylinder liner and cast iron alloy’) descreve a obtenção de camisas de cilindro em ferro fundido nodular com matriz ferrítica. A composição química do material proposto nesse documento seria a seguinte: C entre 2,8% e 4,0%; Si entre 1,8% e 3,5%; Mn entre 0,1% e 1,0%; teor máximo de 0,5% de P; teor máximo de 0,05% de S; teor máximo de 0,5% de V; teor máximo de 0,5% de Mo; Ni entre 0,2% e 1,5%, teor máximo de 0,3% de Sn; Mg entre 0,005% e 0,06%. A principal característica do material reivindicada pelo referido documento seria a resistência à fadiga superior a 230 MPa. Além disso, o documento indica um aumento de resistência ao degaste e limite de resistência de 500 MPa. A referida invenção atribui a melhoria de propriedades à morfologia da grafita, ou seja, ao fato da grafita ser esferoidal. Embora a obtenção do material descrito no referido documento não requeira a realização de tratamento térmico como em outras invenções, o processo de fabricação de ferros fundidos nodulares e sua usinagem implicam em aumento de custos com relação àqueles obtidos com a fabricação de componentes em ferro fundido cinzento.[0012] The document US9506421B2 (“Cylinder liner and cast iron alloy’) describes obtaining cylinder liners in nodular cast iron with ferritic matrix. The chemical composition of the material proposed in that document would be as follows: C between 2.8% and 4.0%; Si between 1.8% and 3.5%; Mn between 0.1% and 1.0%; maximum content of 0.5% of P; maximum content of 0.05% of S; maximum content of 0.5% of V; maximum content of 0.5% Mo; Ni between 0.2% and 1.5%, maximum content of 0.3% of Sn; Mg between 0.005% and 0.06%. The main characteristic of the material claimed by said document would be the fatigue strength greater than 230 MPa. In addition, the document indicates an increase in resistance to wear and resistance limit of 500 MPa. Said invention attributes the improvement of properties to the graphite morphology, that is, to the fact that the graphite is spheroidal. Although obtaining the material described in that document does not require the realization of heat treatment as in other inventions, the process of manufacturing nodular cast irons and their machining implies an increase in costs in relation to those obtained with the manufacture of gray cast iron components. .

[0013] O exposto acima deixa claro que, em face à demanda por materiais com propriedades mecânicas superiores, as propostas de materiais e processos de obtenção de componentes de motor a combustão implicam em aumento de custo de produção dos componentes e, em alguns casos, deterioração de outras propriedades como, por exemplo, condutividade térmica. Além disso, as invenções apresentadas nesse estado da arte propõem alterações significativas na microestrutura dos materiais com relação à matriz ou morfologia de grafita dos ferros fundidos utilizados para camisas de cilindro.[0013] The above makes it clear that, in view of the demand for materials with superior mechanical properties, the proposals for materials and processes for obtaining combustion engine components imply an increase in the production cost of the components and, in some cases, deterioration of other properties, such as thermal conductivity. In addition, the inventions presented in this state of the art propose significant changes in the microstructure of the materials with respect to the graphite matrix or morphology of the cast irons used for cylinder liners.

[0014] Por isso, a obtenção de uma camisa de cilindro em ferro fundido cinzento de elevada resistência resolve os problemas atuais, atendendo a demanda por aumento de propriedades mecânicas sem que o custo de produção e outras propriedades sejam influenciados negativamente.[0014] Therefore, obtaining a cylinder liner in high-strength gray cast iron solves the current problems, meeting the demand for increased mechanical properties without the production cost and other properties being negatively influenced.

[0015] A presente invenção descreve um ferro fundido cinzento de elevada resistência mecânica e que, portanto, supre a necessidade de aumento da propriedade mecânica sem causar aumento de custo de produção do material ou de usinagem do componente. Além disso, o material descrito na presente invenção não influencia de forma negativa outras propriedades importantes para a aplicação em camisas de cilindro como a condutividade térmica.[0015] The present invention describes a gray cast iron with high mechanical resistance and, therefore, fulfills the need to increase the mechanical property without causing an increase in the cost of material production or component machining. In addition, the material described in the present invention does not negatively influence other important properties for application in cylinder liners such as thermal conductivity.

DESCRIPTION OF THE FIGURES

[0016] A Figura 1 mostra a microestrutura do material sem ataque químico obtido no exemplo de concretização da presente invenção. É possível observar que as grafitas que constituem a microestrutura do material da presente invenção têm morfologia lamelar.[0016] Figure 1 shows the microstructure of the material without chemical attack obtained in the example of embodiment of the present invention. It is possible to observe that the graphites that constitute the microstructure of the material of the present invention have lamellar morphology.

[0017] A Figura 2 mostra a microestrutura do material com ataque químico obtido no exemplo de concretização da presente invenção. É possível observar que a matriz do material obtido conforme descrito na presente invenção é constituída essencialmente de perlita com esteadita entre os braços de dendritas. A esteadita não forma uma rede contínua.[0017] Figure 2 shows the microstructure of the material with chemical attack obtained in the example of embodiment of the present invention. It is possible to observe that the matrix of the material obtained as described in the present invention consists essentially of pearlite with pewter between the arms of dendrites. The patient does not form a continuous network.

[0018] A Figura 3 apresenta curvas de microdureza com percentual acumulado do número de medidas para cada intervalo de microdureza. Essa figura mostra os resultados para quatro materiais: (1) material de referência normalmente utilizado para produção de camisas de cilindro; (2) material no qual foi realizado somente a redução do espaçamento interlamelar da perlita (EIP) (manutenção do CE e teor de N com relação à referência); (3) material com adição de N (manutenção do CE e do espaçamento interlamelar da perlita com relação à referência); e (4) PRESENTE INVENÇÃO: material no qual foram combinadas três estratégias para aumento do limite de resistência (redução do CE, redução do EIP e adição de N).[0018] Figure 3 shows microhardness curves with an accumulated percentage of the number of measurements for each microhardness interval. This figure shows the results for four materials: (1) reference material normally used for the production of cylinder liners; (2) material in which only the reduction of the interlayer spacing of the pearlite (EIP) was carried out (maintenance of the CE and N content in relation to the reference); (3) material with N addition (maintenance of the CE and the interlayer spacing of the perlite in relation to the reference); and (4) PRESENT INVENTION: material in which three strategies were combined to increase the resistance limit (reduction of EC, reduction of EIP and addition of N).

DESCRIPTION OF THE INVENTION

[0019] “CAMISA DE CILINDRO EM FERRO FUNDIDO CINZENTO COM ELEVADA RESISTÊNCIA MECÂNICA” descreve a obtenção de um ferro fundido cinzento para produção de componentes do motor a combustão, especialmente camisas de cilindro, com elevada resistência mecânica o que significa um ferro fundido cinzento com limite de resistência acima de 400 MPa e dureza acima de 300 HB. Esse material é constituído de uma matriz perlítica, grafita com morfologia lamelar e o microconstituinte conhecido com esteadita (eutético com elevado teor de P).[0019] “CYLINDER SHIRT IN GRAY CAST IRON WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE” describes the obtaining of a gray cast iron for the production of combustion engine components, especially cylinder liners, with high mechanical resistance which means a gray cast iron with strength limit above 400 MPa and hardness above 300 HB. This material consists of a pearlitic matrix, graphite with lamellar morphology and the microconstituent known as steadite (eutectic with high P content).

[0020] A literatura sobre as propriedades mecânicas de ferros fundidos mostra relações entre essas propriedades e diferentes aspectos microestruturais, embora não haja consenso sobre a relação de alguns dos aspectos microestruturais com as propriedades mecânicas.[0020] The literature on the mechanical properties of cast irons shows relationships between these properties and different microstructural aspects, although there is no consensus on the relationship of some of the microstructural aspects with the mechanical properties.

[0021] Uma dessas relações entre microestrutura e propriedade diz respeito às frações e propriedades das fases que constituem a matriz. É de conhecimento comum que a presença de ferrita livre na microestrutura de ferros fundidos de matriz predominantemente perlítica pode causar redução no limite de resistência do material. Por isso, para um aumento no limite de resistência de ferros fundidos cinzentos de matriz perlítica deve-se obter uma matriz isenta de ferrita livre ou com a menor fração possível dessa fase. A presente invenção descreve a obtenção de um ferro fundido cinzento com matriz perlítica, com fração de ferrita livre inferior a 2%.[0021] One of these relationships between microstructure and property concerns the fractions and properties of the phases that make up the matrix. It is common knowledge that the presence of free ferrite in the microstructure of cast iron of predominantly pearlitic matrix can cause a reduction in the strength limit of the material. Therefore, for an increase in the resistance limit of gray cast iron with a pearlitic matrix, a matrix free of free ferrite or with the lowest possible fraction of this phase must be obtained. The present invention describes obtaining a gray cast iron with a pearlitic matrix, with less than 2% free ferrite fraction.

[0022] Por sua vez, as propriedades mecânicas da perlita têm impacto no limite de resistência mecânica do material. De forma geral, as características que determinam as propriedades da perlita são o seu espaçamento interlamelar (EIP), frações relativas de ferrita e cementita e o número de colônias de perlita formadas durante a reação eutetóide.[0022] In turn, the mechanical properties of the pearlite have an impact on the mechanical strength limit of the material. In general, the characteristics that determine the properties of perlite are its interlayer spacing (EIP), relative fractions of ferrite and cementite and the number of perlite colonies formed during the eutectoid reaction.

[0023] O aumento da propriedade mecânica com a redução do espaçamento interlamelar da perlita (EIP) em ferros fundidos cinzentos é de conhecimento geral e relativamente bem descrita na literatura. A redução do EIP pode ser obtida por diferentes estratégias como, por exemplo, aumento da taxa de resfriamento na reação eutetóide e / ou adição de elementos de liga (molibdênio, por exemplo). É possível encontrar na literatura (FOURLAKIDIS, et al., 2014) dados experimentais da relação entre redução do EIP e aumento do limite de resistência de ferros fundidos cinzentos. A adição de elementos de liga para o refino da perlita aumentam a tendência à formação de carbonetos e, nesse caso, podem levar à redução da propriedade mecânica do material. A presença desses carbonetos na microestrutura dos ferros fundidos cinzentos é indesejada para aplicação em componentes de motor à combustão, especificamente para camisas de cilindro.[0023] The increase of the mechanical property with the reduction of the interlayer spacing of perlite (EIP) in gray cast iron is well known and relatively well described in the literature. The reduction of EIP can be achieved by different strategies, such as, for example, increasing the cooling rate in the eutetoid reaction and / or adding alloying elements (molybdenum, for example). It is possible to find in the literature (FOURLAKIDIS, et al., 2014) experimental data on the relationship between reduced IPE and increased resistance limit of gray cast iron. The addition of alloy elements to refine the pearlite increases the tendency to form carbides and, in this case, may lead to a reduction in the mechanical property of the material. The presence of these carbides in the gray cast iron microstructure is undesirable for application in combustion engine components, specifically for cylinder liners.

[0024] Outra relação entre propriedade mecânica e microestrutura dos ferros fundidos cinzentos é o aumento do limite de resistência com a redução da fração de grafita. Uma das maneiras de avaliar a fração de grafita é utilizar o conceito de carbono equivalente (CE): quando menor o carbono equivalente menor será a fração de grafita. Essa análise da fração de grafita pelo CE é também uma referência com relação à composição eutética dos ferros fundidos.[0024] Another relationship between mechanical property and microstructure of gray cast irons is the increase of the resistance limit with the reduction of the graphite fraction. One of the ways to evaluate the graphite fraction is to use the concept of carbon equivalent (EC): the lower the equivalent carbon, the lower the graphite fraction. This analysis of the graphite fraction by the EC is also a reference in relation to the eutectic composition of cast iron.

[0025] Para analisar o carbono equivalente das ligas foi utilizada a Eq. 1. Os principais elementos considerados para o cálculo do carbono equivalente são o carbono e o silício. Embora a redução de CE leve ao aumento da propriedade mecânica, essa redução do CE pode tornar o ferro fundido susceptível à formação de carbonetos e porosidades, o que reduz a propriedade mecânica do material. É possível encontrar na literatura (FOURLAKIDIS, et al., 2014) dados da relação entre CE e limite de resistência para ferros fundidos cinzentos. Além desses resultados, a definição de classe dos ferros fundidos cinzentos (ASM Metals Handbook) também mostra a relação de aumento do limite de resistência com a redução do CE.
CE = %C + 0,31 %Si + 0,33%P - 0,027%Mn + 0,4%S Eq. 1[0025] Eq. 1 was used to analyze the carbon equivalent of the alloys. The main elements considered for the calculation of the equivalent carbon are carbon and silicon. Although the reduction in CE leads to an increase in mechanical property, this reduction in CE can make cast iron susceptible to the formation of carbides and porosities, which reduces the mechanical property of the material. It is possible to find in the literature (FOURLAKIDIS, et al., 2014) data on the relationship between EC and resistance limit for gray cast irons. In addition to these results, the definition of gray cast iron class (ASM Metals Handbook) also shows the relationship of increasing the resistance limit with the reduction of the CE.
EC =% C + 0.31% Si + 0.33% P - 0.027% Mn + 0.4% S Eq. 1

[0026] As duas relações entre microestrutura e propriedade apresentadas até esse ponto (adição de elementos de liga e redução de CE) são comumente utilizadas como estratégias para aumento de propriedade mecânica dos ferros fundidos cinzentos. Porém, ambas as estratégias têm limites de aplicação, sendo esse limite normalmente a formação de carbonetos. De forma geral, as propriedades mecânicas dos ferros fundidos diminuem com o aumento da fração de carbonetos. A aplicação dessas duas estratégias simultaneamente é menos aplicada devido ao aumento significativo da tendência de formação de carbonetos.[0026] The two relationships between microstructure and property presented up to this point (addition of alloy elements and reduction of EC) are commonly used as strategies to increase the mechanical property of gray cast iron. However, both strategies have application limits, and this limit is usually the formation of carbides. In general, the mechanical properties of cast iron decrease with increasing carbide fraction. The application of these two strategies simultaneously is less applied due to the significant increase in the tendency of carbide formation.

[0027] Outra relação entre microestrutura e propriedade mecânica aplicada nos ferros fundidos diz respeito à morfologia da grafita. Os limites dessa relação são os casos dos ferros fundidos cinzentos com grafita lamelar predominantemente do tipo A e os ferros fundidos nodulares (grafita esferoidal): para uma mesma fração de grafita, os ferros fundidos nodulares apresentam limite de resistência muito superior aos ferros fundidos com grafitas lamelares. Parte da literatura da área de ferros fundidos atribui essa diferença na propriedade mecânica dos ferros fundidos ao fato de que a grafita nos ferros fundidos nodulares não funcionaria como um concentrador de tensão. Uma das estratégias descritas na literatura para modificação da morfologia da grafita lamelar é a adição de nitrogênio. Essa literatura indica que a adição de nitrogênio em teores da ordem de 150 ppm pode tornar as lamelas de grafita mais curtas e mais espessas, diminuindo o efeito de concentração de tensão nas pontas das lamelas. Evidências experimentais do aumento de resistência dos ferros fundidos cinzentos com a adição de nitrogênio podem ser encontradas na literatura. Entretanto, o mecanismo pelo qual o nitrogênio pode aumentar as propriedades dos ferros fundidos não está claro. Além disso, a adição de nitrogênio pode causar efeitos deletérios à propriedade mecânica devido à formação de microporosidade na microestrutura.[0027] Another relationship between microstructure and mechanical properties applied to cast irons concerns the graphite morphology. The limits of this relationship are the cases of gray cast irons with predominantly type A lamellar graphite and nodular cast irons (spheroidal graphite): for the same fraction of graphite, nodular cast irons have a much higher limit of resistance than cast iron with graphite lamellar. Part of the cast iron literature attributes this difference in the mechanical properties of cast iron to the fact that graphite in nodular cast iron would not function as a stress concentrator. One of the strategies described in the literature for modifying the lamellar graphite morphology is the addition of nitrogen. This literature indicates that the addition of nitrogen in levels of the order of 150 ppm can make the graphite lamellae shorter and thicker, reducing the effect of stress concentration on the lamella tips. Experimental evidence of the increased strength of gray cast iron with the addition of nitrogen can be found in the literature. However, the mechanism by which nitrogen can increase the properties of cast iron is not clear. In addition, the addition of nitrogen can cause deleterious effects to the mechanical property due to the formation of microporosity in the microstructure.

[0028] Tendo em vista o exposto acima sobre as relações de microestrutura e propriedades aplicadas aos ferros fundidos cinzentos, a presente invenção descreve a obtenção de um ferro fundido cinzento para produção de componentes de motor a combustão, especialmente camisas de cilindro, com elevada resistência mecânica o que significa um ferro fundido cinzento com limite de resistência acima de 400 MPa e dureza acima de 300 HB. Esse material é constituído de uma matriz perlítica, grafitas com morfologia lamelar e o microconstituinte conhecido como esteadita (eutético com elevado teor de P). Além disso, esse material e seu processo de obtenção têm características importantes para a manutenção dos custos de produção dos componentes não sendo necessário o aumento de teor de elementos de liga ou a realização de tratamentos térmicos. A utilização de um ferro fundido cinzento também significa a manutenção da condutividade térmica e usinabilidade, características importantes para a aplicação em componentes de motor a combustão.[0028] In view of the above about microstructure relationships and properties applied to gray cast irons, the present invention describes obtaining a gray cast iron for the production of combustion engine components, especially cylinder liners, with high strength mechanical which means a gray cast iron with strength limit above 400 MPa and hardness above 300 HB. This material consists of a pearlitic matrix, graphites with lamellar morphology and the microconstituent known as esteadite (eutectic with high P content). In addition, this material and its process of obtaining have important characteristics for the maintenance of the production costs of the components, without the need to increase the content of alloy elements or perform thermal treatments. The use of a gray cast iron also means the maintenance of thermal conductivity and machinability, important characteristics for the application in combustion engine components.

[0029] Para a obtenção do material objeto da presente invenção foram utilizadas de forma simultânea as três estratégias descritas acima para o aumento de propriedade: redução do carbono equivalente, redução do espaçamento interlamelar da perlita e adição de nitrogênio. A Tabela 1 apresenta os teores mínimos e máximos de cada elemento que constitui a ferro fundido cinzento da presente invenção.[0029] To obtain the material object of the present invention, the three strategies described above were used simultaneously to increase property: reduction of the equivalent carbon, reduction of the interlayer spacing of the perlite and addition of nitrogen. Table 1 shows the minimum and maximum levels of each element that constitutes the gray cast iron of the present invention.

[0030] Na presente invenção a redução do CE causou principalmente um aumento da fração de austenita primária com relação às frações normalmente obtidas nos ferros fundidos cinzentos para componentes de motor a combustão. Esse aumento da fração de austenita primária não causou uma diminuição significativa da fração de grafita no material. Foi observado no desenvolvimento dessa invenção que a fração de austenita primária tem um papel fundamental no aumento das propriedades mecânicas do ferro fundido cinzento. É importante ressaltar que esse conceito não foi aplicado por nenhuma das invenções encontradas no estado da arte.[0030] In the present invention, the reduction in EC mainly caused an increase in the fraction of primary austenite in relation to the fractions normally obtained in gray cast iron for combustion engine components. This increase in the fraction of primary austenite did not cause a significant decrease in the fraction of graphite in the material. It was observed in the development of this invention that the fraction of primary austenite has a fundamental role in increasing the mechanical properties of gray cast iron. It is important to note that this concept was not applied by any of the inventions found in the state of the art.

[0031] Com o uso de simulações termodinâmicas no software ThermoCalc foi possível verificar que, com a composição química do material de referência, a fração de austenita primária foi da ordem de 18% considerando condições de equilíbrio termodinâmico. Para o material proposto na presente invenção a fração de austenita primária passou a ser acima de 25% para as mesmas condições de cálculo, ou seja, um aumento de 38% na fração de austenita primária. Além do controle de composição química, é possível obter frações maiores de austenita primária com o controle da taxa de resfriamento do ferro fundido durante a solidificação. Esse controle de taxa de resfriamento foi realizado utilizando variáveis de processo como temperatura do metal líquido, temperatura da coquilha metálica e espessura do recobrimento cerâmico aplicado na superfície interna dessa coquilha.[0031] With the use of thermodynamic simulations in the ThermoCalc software, it was possible to verify that, with the chemical composition of the reference material, the primary austenite fraction was around 18% considering conditions of thermodynamic equilibrium. For the material proposed in the present invention, the fraction of primary austenite increased to above 25% for the same calculation conditions, that is, an increase of 38% in the fraction of primary austenite. In addition to controlling chemical composition, it is possible to obtain larger fractions of primary austenite by controlling the cooling rate of the cast iron during solidification. This cooling rate control was performed using process variables such as temperature of the liquid metal, temperature of the metallic shell and thickness of the ceramic coating applied on the inner surface of this shell.

[0032] Para que fosse possível obter a fração de austenita primária adequada, os seguintes parâmetros devem ser observados: o carbono equivalente deve estar entre 3,3 e 4,2, preferencialmente entre 3,7 e 3,9; a temperatura do metal líquido transferido para coquilha deve estar entre 1400 °C e 1440 °C; e a temperatura da coquilha deve estar entre 150 °C e 300 °C. Essas condições tornam possível obter a maior fração de austenita primária possível sem que ocorra a formação de carbonetos.

[0032] In order to obtain the appropriate fraction of primary austenite, the following parameters must be observed: the equivalent carbon must be between 3.3 and 4.2, preferably between 3.7 and 3.9; the temperature of the liquid metal transferred to the mold must be between 1400 ° C and 1440 ° C; and the temperature of the mold must be between 150 ° C and 300 ° C. These conditions make it possible to obtain the largest fraction of primary austenite possible without the formation of carbides.

[0033] A segunda estratégia para aumento do limite de resistência do material descrito na presente invenção foi a redução do espaçamento interlamelar da perlita (EIP). Como descrito acima, essa redução de EIP pode ser realizada por adição de elementos de liga, sendo essa estratégia amplamente conhecida e utilizada em algumas invenções descritas no estado da arte. Na presente invenção não foi realizada adição suplementar de elementos de liga com relação ao material de referência. Os teores de Cu, Cr e Mo indicados para a presente invenção são prática comum para a fabricação de componentes de motor a combustão em ferro fundido cinzento. Para a presente invenção, a taxa de resfriamento do material ao longo da reação eutetóide foi aumentada. Para realizar esse aumento é possível utilizar várias técnicas como, por exemplo, resfriamento com ar forçado ou resfriamento adicional do molde metálico. Com o aumento da taxa de resfriamento durante a transformação eutetóide foi possível reduzir o EIP com relação ao material de referência. O EIP médio do material obtido na presente invenção deve estar abaixo de 0,09 μm.[0033] The second strategy for increasing the strength limit of the material described in the present invention was to reduce the interlayer spacing of the perlite (EIP). As described above, this reduction in EIP can be accomplished by adding alloying elements, this strategy being widely known and used in some inventions described in the state of the art. In the present invention, no additional addition of alloying elements was performed with respect to the reference material. The levels of Cu, Cr and Mo indicated for the present invention are common practice for the manufacture of gray cast iron combustion engine components. For the present invention, the rate of cooling of the material throughout the eutectoid reaction has been increased. To achieve this increase, it is possible to use various techniques, such as cooling with forced air or additional cooling of the metal mold. With the increase in the cooling rate during the eutectoid transformation, it was possible to reduce the EIP in relation to the reference material. The average EIP of the material obtained in the present invention must be below 0.09 μm.

[0034] A utilização do aumento da taxa de resfriamento para redução do EIP no material da presente invenção evita o aumento de teor de elementos de liga para esse fim. Embora a estratégia de aumento dos teores desses elementos possa reduzir o EIP, caso sejam utilizados acima de determinados teores podem levar à formação de carbonetos indesejados para uma dada condição de resfriamento, além de aumentar o custo de produção do material. Além disso, o aumento de teores de elementos de liga se realizado de forma simultânea com a redução do CE como na presente invenção, aumentaria significativamente a tendência de formação de carbonetos indesejáveis na microestrutura do material. A estratégia utilizada na presente invenção para redução do EIP evita esses possíveis problemas causados pelo aumento nos teores de elementos de liga.[0034] The use of increased cooling rate to reduce EIP in the material of the present invention avoids increasing the content of alloying elements for this purpose. Although the strategy of increasing the levels of these elements can reduce the EIP, if they are used above certain levels, they can lead to the formation of unwanted carbides for a given cooling condition, in addition to increasing the production cost of the material. In addition, the increase in the content of alloying elements if carried out simultaneously with the reduction of CE as in the present invention, would significantly increase the tendency of formation of undesirable carbides in the microstructure of the material. The strategy used in the present invention to reduce EIP avoids these possible problems caused by the increase in the levels of alloying elements.

[0035] A terceira estratégia utilizada para o aumento do limite de resistência do material descrito na presente invenção foi a adição de nitrogênio. A adição de nitrogênio em ferros fundidos pode ser realizada de diferentes formas como, por exemplo: adição de ferros ligas contendo nitrogênio como FeCrN, FeMnN; compostos inorgânicos como cianamidas; ou injeção de gás. A presente invenção não está restrita ao método de adição de nitrogênio ao ferro fundido. Para obtenção do material objeto da presente invenção é necessário que o teor de nitrogênio (N) esteja acima de 90 ppm e abaixo de 150 ppm. Abaixo de 90 ppm de N o efeito nas propriedades não é significativo e acima de 150 ppm de N ocorre a formação de porosidades que deterioram a propriedades mecânicas do material.[0035] The third strategy used to increase the strength limit of the material described in the present invention was the addition of nitrogen. The addition of nitrogen to cast iron can be done in different ways, for example: adding nitrogen-containing alloy irons such as FeCrN, FeMnN; inorganic compounds such as cyanamides; or gas injection. The present invention is not restricted to the method of adding nitrogen to cast iron. To obtain the material object of the present invention it is necessary that the nitrogen (N) content is above 90 ppm and below 150 ppm. Below 90 ppm of N the effect on properties is not significant and above 150 ppm of N there is the formation of porosities that deteriorate the mechanical properties of the material.

[0036] Como já mencionado nesse documento, o aumento da resistência mecânica dos ferros fundidos com a adição de N é de conhecimento geral (EP1606427B1). Entretanto, é possível afirmar que o mecanismo pelo qual o nitrogênio contribui para essa alteração na propriedade mecânica do material não está bem estabelecido. Por isso, a utilização do nitrogênio para esse fim não é totalmente aproveitada. Utilizando simulações termodinâmicas, no desenvolvimento da presente invenção foi verificado que o N dissolvido no ferro fundido líquido estaria em solução sólida na austenita logo após o final da solidificação. Uma vez dissolvido na austenita, o N alteraria as propriedades na perlita formada a partir dessa austenita contendo N.[0036] As already mentioned in this document, the increase in the mechanical strength of cast iron with the addition of N is well known (EP1606427B1). However, it is possible to state that the mechanism by which nitrogen contributes to this change in the material's mechanical property is not well established. Therefore, the use of nitrogen for this purpose is not fully used. Using thermodynamic simulations, in the development of the present invention it was verified that the N dissolved in the liquid molten iron would be in solid solution in the austenite soon after the end of the solidification. Once dissolved in austenite, N would alter the properties in the perlite formed from that austenite containing N.

[0037] No desenvolvimento da presente invenção, essa hipótese de alteração das propriedades da perlita com a adição de N foi verificada experimentalmente utilizando curvas de distribuição de microdureza da perlita. A Figura 3 apresenta as curvas de microdureza com percentual acumulado do número de medidas para cada intervalo de microdureza para quatro materiais: (1) material de referência normalmente utilizado para produção de camisas de cilindro; (2) material no qual foi realizada somente a redução do EIP (manutenção do CE e teor de N com relação à referência); (3) material com adição de N (manutenção do CE e da taxa de resfriamento no estado sólido com relação à referência); e (4) material no qual foram combinadas as três estratégias para aumento do limite de resistência (PRESENTE INVENÇÃO): redução do CE, redução do EIP e adição de N. Foram realizadas ao menos trinta (30) medidas de microdureza da perlita para cada um dos materiais.[0037] In the development of the present invention, this hypothesis of altering the properties of the perlite with the addition of N was verified experimentally using perlite microhardness distribution curves. Figure 3 shows the microhardness curves with an accumulated percentage of the number of measurements for each microhardness interval for four materials: (1) reference material normally used for the production of cylinder liners; (2) material in which only the reduction of EIP was carried out (maintenance of EC and N content in relation to the reference); (3) material with the addition of N (maintenance of the EC and the cooling rate in the solid state with respect to the reference); and (4) material in which the three strategies for increasing the resistance limit were combined (PRESENT INVENTION): reduction of EC, reduction of EIP and addition of N. At least thirty (30) microhardness measurements of the pearlite were performed for each one of the materials.

[0038] O resultado de curvas de distribuição de microdureza para o material com redução de EIP (Figura 3) mostra que essa estratégia resultou em um aumento da microdureza da perlita com relação ao material de referência. Esse resultado é uma evidência de que a estratégia para redução do EIP utilizada na presente invenção teve resultado na microestrutura e, consequentemente, na propriedade do material.[0038] The result of microhardness distribution curves for the material with EIP reduction (Figure 3) shows that this strategy resulted in an increase in the microhardness of the pearlite in relation to the reference material. This result is evidence that the EIP reduction strategy used in the present invention resulted in the microstructure and, consequently, in the material property.

[0039] A curva de microdureza do material com adição de N é semelhante a do material com redução de EIP, ou seja, com relação ao material de referência, a microdureza da perlita aumentou com adição de N. Esse resultado é uma evidência de que o N tem um efeito na perlita dos ferros fundidos, como reivindicado na presente invenção. Esse conceito é diferente daquele utilizado no estado da arte (EP1606427B1): alteração da morfologia da grafita. Ou seja, a presente invenção mostra um novo efeito do nitrogênio na microestrutura dos ferros fundidos. Além do limite de resistência, a alteração nas propriedades da perlita causada pela adição do nitrogênio contribui também para o aumento da resistência à fadiga do material que é uma importante propriedade dos materiais utilizados em componentes de motor a combustão.[0039] The microhardness curve of the material with N addition is similar to that of the material with EIP reduction, that is, with respect to the reference material, the microhardness of the pearlite increased with the addition of N. This result is evidence that N has an effect on cast iron perlite, as claimed in the present invention. This concept is different from the one used in the state of the art (EP1606427B1): alteration of graphite morphology. That is, the present invention shows a new effect of nitrogen on the microstructure of cast iron. In addition to the resistance limit, the change in the properties of perlite caused by the addition of nitrogen also contributes to the increase in the fatigue resistance of the material, which is an important property of the materials used in combustion engine components.

[0040] A curva de microdureza da perlita do material no qual foram empregadas as três estratégias simultaneamente para o aumento da resistência do material desenvolvido na presente invenção mostra que houve um aumento da microdureza não só com relação ao material de referência como também com relação aos materiais nos quais foram utilizadas as estratégias de redução do EIP e adição de N de forma isolada. Esse resultado mostra que as estratégias e a forma como foram utilizadas na presente invenção funcionaram de maneira complementar, ou seja, apresentaram efeitos acumulativos. O uso dessas estratégias simultaneamente, a forma como foram aplicadas e com os resultados observados na presente invenção não foram encontrados nas invenções do estado da arte do ramo de aplicação da presente invenção.[0040] The microhardness curve of the material perlite in which the three strategies were simultaneously used to increase the strength of the material developed in the present invention shows that there was an increase in microhardness not only with respect to the reference material but also with respect to materials in which EIP reduction strategies and N addition were used in isolation. This result shows that the strategies and the way they were used in the present invention worked in a complementary way, that is, they presented cumulative effects. The use of these strategies simultaneously, the way they were applied and with the results observed in the present invention were not found in the state of the art inventions in the field of application of the present invention.

EXAMPLE OF CARRYING OUT THE INVENTION

[0041] Uma carga contendo aço de baixa liga, retorno de produção e ferro-ligas foi fundida em forno a indução sem câmara para controle de pressão, a fim de se obter o ferro fundido com a composição química desejada para a concretização da presente invenção. A temperatura do metal líquido foi controlada para não ultrapassar 1470 °C. Após a fusão completa da carga, foi adicionado o componente de carga portador de nitrogênio. Nesse exemplo, para adicionar N ao metal fundido foi utilizado a ferro liga FeMnN. Em seguida, durante a transferência do metal líquido do forno de fusão para uma panela de transferência, foi adicionado inoculante FeSiSr, como é prática comum na fabricação de ferros fundidos. A composição química final do material obtido é apresentada na Tabela 2. O carbono equivalente desse material foi de 3,85.

[0041] A load containing low-alloy steel, production return and ferro-alloys was melted in a chamberless induction furnace for pressure control, in order to obtain the cast iron with the desired chemical composition for the realization of the present invention. . The temperature of the liquid metal was controlled not to exceed 1470 ° C. After the complete fusion of the charge, the nitrogen carrying charge component was added. In this example, FeMnN was used to add N to the molten metal. Then, during the transfer of the liquid metal from the melting furnace to a transfer pot, FeSiSr inoculant was added, as is common practice in the manufacture of cast irons. The final chemical composition of the material obtained is shown in Table 2. The carbon equivalent of this material was 3.85.

[0042] O metal líquido obtido como descrito acima foi transferido para um molde metálico em rotação em um equipamento destinado à centrifugação. A superfície interna desse molde metálico foi previamente recoberta com uma pintura cerâmica. No processo de centrifugação foi obtido um tubo de ferro fundido no qual foram realizadas análises do material com relação à microestrutura e propriedades mecânicas. É importante mencionar que não foi realizado qualquer tipo de tratamento térmico no material após a retirada do molde metálico de centrifugação.[0042] The liquid metal obtained as described above was transferred to a rotating metal mold in a device intended for centrifugation. The internal surface of this metallic mold was previously covered with ceramic paint. In the centrifugation process, a cast iron tube was obtained in which the material was analyzed with respect to the microstructure and mechanical properties. It is important to mention that no type of thermal treatment was carried out on the material after removing the metallic centrifuge mold.

[0043] A Figura 1 apresenta a microestrutura do material sem ataque químico que permite observar as lamelas de grafita do material. A Figura 2 apresenta a microestrutura do material com ataque químico. Nessa figura é possível observar que a matriz do material da presente invenção é constituída de perlita com a formação do microconstituinte esteadita entre os braços de dendrita.[0043] Figure 1 shows the microstructure of the material without chemical attack that allows observing the graphite lamellas of the material. Figure 2 shows the microstructure of the material with chemical attack. In this figure it is possible to observe that the matrix of the material of the present invention is constituted of perlite with the formation of the microconstituent esteadita between the dendrite arms.

[0044] A curva de distribuição de microdureza apresentada na Erro! Fonte de referência não encontrada.Figura 3 e identificada como “PRESENTE INVENÇÃO” é do material obtido no exemplo de concretização da presente invenção. É importante mencionar que o material de referência também foi obtido pelo processo de centrifugação. Esse resultado mostra que a microdureza do material da presente invenção é significativamente maior que o material de referência. O espaçamento interlamelar da perlita do material produzido nesse exemplo da presente invenção foi de 0,07 μm. O limite de resistência do material da presente da invenção foi de 446 MPa e dureza de 309 HB.[0044] The microhardness distribution curve shown in Error! Reference source not found. Figure 3 and identified as “PRESENT INVENTION” is the material obtained in the example of embodiment of the present invention. It is important to mention that the reference material was also obtained by the centrifugation process. This result shows that the microhardness of the material of the present invention is significantly greater than the reference material. The interlayer spacing of the perlite of the material produced in this example of the present invention was 0.07 μm. The strength limit of the material of the present invention was 446 MPa and hardness of 309 HB.

Claims

GRAY CAST IRON SHIRT WITH HIGH MECHANICAL STRENGTH describes the material and method of obtaining a gray cast iron for the production of combustion engine components, especially cylinder liners, with high mechanical strength which means a gray cast iron with resistance limit above 400 MPa and hardness above 300 HB, characterized by a pearlitic matrix, graphite with lamellar morphology and which may contain the microconstituent known as esteadite (eutectic with high P content) and which is obtained through the application of three strategies simultaneously: addition of nitrogen (N content between 90 and 150 ppm), reduction of the interlayer spacing of the pearlite - EIP (average EIP below 0.09 μm and average microhardness above 320 HV) and chemical composition control (CE between 3.3 and 4.2) within the limits indicated in table 1.

GRAY CAST IRON CYLINDER SHIRT WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE according to claim 1 characterized by being obtained with the application of equivalent carbon reduction (EC) strategies to values between 3.3 and 4.2 and reduction of the mean interlayer spacing perlite (EIP) that constitutes the material matrix for values below 0.09 μm.

GRAY CAST IRON CYLINDER SHIRT WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE according to claim 1, characterized by the application of nitrogen addition strategies in levels between 90 ppm (0.009%) and 150 ppm (0.015%) and reduced spacing average interlayer of perlite (EIP) that constitutes the material matrix for values below 0.09 μm.

CYLINDER SHIRT IN GRAY CAST IRON WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE according to claims 1 and 2 characterized by having a primary austenite fraction above 25% in calculation conditions considering the thermodynamic balance.

GRAY CAST IRON SHIRT WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE according to claims 1 and 3 characterized by a nitrogen content between 90 ppm (0.009%) and 150 ppm (0.015%).

CYLINDER SHIRT IN GRAY CAST IRON WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE according to claims 1, 2 and 3 characterized by presenting average interlayer spacing of the perlite that constitutes the material matrix less than 0.09 μm.

GRAY CAST IRON SHIRT WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE according to claims 1, 2, 3 and 6 characterized by obtaining the average interlayer spacing of the perlite through the cooling of the material during the eutetoid reaction, but not limited to this method.

CYLINDER SHIRT IN GRAY CAST IRON WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE according to claims 1 and 7 characterized in that it contains in the microstructure a fraction of free ferrite less than 2%.

CYLINDER SHIRT IN GRAY CAST IRON WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE according to claims 1, 3 and 5 characterized by obtaining nitrogen levels through the addition of iron, nitrogenous alloys, gas or any other material containing nitrogen.

CYLINDER SHIRT IN GRAY CAST IRON WITH HIGH MECHANICAL RESISTANCE according to claims 1, 2, 3, 5, 6 and 7 characterized by the medium microhardness of the perlite that constitutes the material matrix to be above 320 HV.