BR102020019029A2

BR102020019029A2 - Liga de ferro fundido vermicular, bloco e cabeçote de motor de combustão

Info

Publication number: BR102020019029A2
Application number: BR102020019029-6A
Authority: BR
Inventors: Carlos De Souza Cabezas; Eitan Melleras; Maria Furbino Martins
Original assignee: Tupy S.A.
Priority date: 2020-09-23
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2022-03-29
Also published as: EP3974553B1; PT3974553T; ZA202107118B; US20220090238A1; CN114250406A; EP3974553A1

Abstract

A presente invenção refere-se a uma liga de ferro fundido vermicular especialmente projetada para blocos e cabeçotes de motores a combustão interna que tenham requisitos especiais de resistência mecânica e de usinabilidade; referida liga vermicular apresenta microestrutura que resulte em elevados valores de propriedades mecânicas, como limite de resistência mínimo de 500 Mpa, limite de escoamento mínimo de 350 MPa, aliada à uma boa usinabilidade; sendo ainda, que o fator de ferritização deve ser tal que se situe entre 3,88 e 5,48. Este conjunto de propriedades é possível projetar novos blocos e cabeçotes de motor com geometria complexa, de alta propriedade mecânica, sem prejuízo à usinabilidade, tornando-o atraente tanto do ponto de vista técnico como econômico.

Description

LIGA DE FERRO FUNDIDO VERMICULAR, BLOCO E CABEÇOTE DE MOTOR DE COMBUSTÃO

Campo da Invenção

[001] A presente invenção refere-se a uma liga de ferro fundido vermicular especialmente projetada para blocos e cabeçotes de motores a combustão interna que tenham requisitos especiais de resistência mecânica e de usinabilidade; referida liga vermicular apresenta microestrutura que resulte em elevados valores de propriedades mecânicas, como limite de resistência mínimo de 500 Mpa, limite de escoamento mínimo de 350 MPa, aliada à uma boa usinabilidade; sendo ainda, que o fator de ferriti-zação deve ser tal que se situe entre 3,88 e 5,48. Este conjunto de propriedades é possível projetar novos blocos e cabeçotes de motor com geometria complexa, de alta propriedade mecânica, sem prejuízo à usinabilidade, tornando-o atraente tanto do ponto de vista técnico como econômico.

Fundamentos da Invenção

[002] Como é de comum conhecimento do estado da técnica, a procura por materiais fundidos de alta resistência mecânica tem sido intensa por parte da indústria automotiva, objetivando a redução do peso dos veículos automotivos, o aumento da potência dos motores e a redução das emissões de gases.

[003] Em especial, as propriedades dos cabeçotes dos motores são particularmente influenciadas pelas composições das ligas de ferros que os constituem, uma vez que apresentam requisitos de propriedades mecânicas específicas, e alta estabilidade a elevadas temperaturas.

[004] Entre os materiais que apresentam requisitos especiais para cabeçotes dos motores, encontra-se o ferro fundido vermicular, que é amplamente conhecido pelos técnicos versados no assunto como sendo um material de excelentes propriedades mecânicas, com grande aplicação na manufatura de blocos e cabeçotes de motor. A característica principal destes materiais é apresentar o carbono em veios de grafite, chamado grafita, envolvido por uma matriz metálica. Esta estrutura de grafite atua como a fase frágil no material, sendo que a propriedade mecânica é definida pelo conjunto da morfologia desta grafita e, também, da resistência dada pela matriz metálica. A Figura 1 (estado da técnica) mostra exemplos de diferentes estruturas de ferros fundidos e suas propriedades mecânicas características.

[005] Entretanto, a indústria automotiva continuamente requer a produção de motores cada vez mais potentes tornando necessário o desenvolvimento de novas ligas que apresentem melhores propriedades mecânicas. Assim, existe a necessidade de satisfazer a demanda por ferros fundidos vermiculares cada vez mais resistentes.

[006] Historicamente, o material mais empregado para a fabricação de blocos e cabeçotes de motor é o ferro fundido cinzento, cujo limite de resistência à tração situa-se em torno de 250MPa. Atualmente, com o surgimento de motores mais potentes e mais leves, foi necessário a substituição dos ferros fundidos cinzentos por um material mais resistente, que é o caso do ferro fundido vermicular. Conforme mostrado na Figura 1 B1, a principal diferença deste material em relação ao ferro fundido cinzento é a forma com que a grafita se apresenta, com veios mais espessos e arredondados.

[007] Esta diferença garante limites de resistência à ruptura até 80% maior para os ferros fundidos vermiculares, A classe de ferro fundido vermicular utilizado atualmente para a produção de blocos e cabeçotes de motor é a classe JV450. Este material é caracterizado por apresentar limite de resistência igual ou superior a 450 MPa e limite de escoamento 0,2 mínimo de 315 MPa, segundo a Norma ISO 16112/2017.

[008] Esta maior resistência trouxe novas oportunidades aos projetistas, que puderam desenvolver motores mais potentes e com menor espessura de parede. Entretanto, as novas exigências das legislações de emissões fazem com que essa busca por materiais cada vez mais resistentes seja constante, sendo necessário o desenvolvimento de ferros fundidos vermiculares com resistência mecânica acima dos 500 MPa.

[009] A norma técnica ISO 16112/2017 prevê a classe de ferro fundido vermicular JV500, cujo limite de resistência à ruptura mínimo é de 500 MPa e os valores de limite de escoamento e alongamento devem ser superiores a 350 MPa e 0,5%, respectivamente, com matriz totalmente perlítica. Todavia, a viabilidade de produção dessa liga pela indústria ainda é um desafio. A dificuldade de se produzir ferros fundidos vermiculares perlíticos de superior resistência encontra-se na necessidade do emprego de elevados teores de elementos de liga como cobre, estanho e cromo, que acabam por impor defeitos no fundido como dureza muito elevada ou a formação de carbonetos na microestrutura, prejudicando tanto a usinabilidade quanto a aplicação do material. Além disto, teores elevados de elementos de liga também se traduzem em altos custos de produção.

[010] A norma SAE J1887 também prevê a classe de limite de resistência de 500 MPa, com dureza de até 269 HB e nodularidade máxima de 50%. Todavia, a elevada nodularidade diminui a capacidade de dissipação térmica do material, retendo maior calor na peça e prejudicando seu desempenho no funcionamento de motores de combustão. Além disto, nodularidades muito elevadas acabam prejudicando a fun-dibilidade do material, causando defeitos na peça fundida. A Figura 2 (estado da técnica) mostra o nível de porosidade de ferro fundido vermicular com menos de 30% de nódulos e outro com a nodularidade em torno de 50%.

[011] Por sua vez, a norma ASTM A 842 ainda não antevê ferros fundidos vermiculares com resistência mecânica acima dos 500 MPa, uma vez que limita a nodularidade em valor máximo de 20%.

[012] Uma outra possibilidade de aumento da resistência mecânica de ligas de ferros fundidos é através do endurecimento da sua matriz metálica. O mais tradicional é a utilização de elementos perlitizantes como cobre, estanho e cromo. No entanto, o emprego destes elementos implica em um aumento considerável da dureza do material, eventualmente causando a formação de carbonetos em sua microestrutura. Este aumento de dureza e a presença de carbonetos, fase extremamente dura, é altamente prejudicial à usinabilidade do material, tornando esta operação inviável devido aos altos desgastes das ferramentas de usinagem.

[013] Sendo assim, existe a necessidade da criação de uma liga de ferro fundido vermicular com limites de resistência à ruptura superior ao atual, mas que mantenha uma boa usinabilidade e fundibilidade.

[014] Uma alternativa ao emprego de elementos formadores de perlita é a utilização de elementos endurecedores da ferrita, como o silício. O silício, por ser um elemento fortemente grafitizante, favorece a formação de uma matriz ferrítica no ferro fundido.

[015] A ferrita é conhecida por ser uma fase macia que melhora a tenacidade e o alongamento do material. Para permitir que o ferro fundido ferrítico atinja dureza e resistência à tração equivalentes ou superiores ao ferro vermicular perlítico, é necessário promover o endurecimento desta matriz ferrítica. A partir dos altos teores de Si é possível endurecer a ferrita do ferro fundido vermicular por solução sólida e obter um material de elevadas propriedades mecânicas, sem excessivo aumento de dureza.

[016] Deste modo, é possível obter um material com alta propriedade mecânica, aliada a uma boa usinabilidade. O aumento do teor de Si já vem sendo explorado nas ligas de ferro fundido nodular, principalmente para a produção de coletores de escape. Inclusive essas novas ligas já foram incluídas na Norma DIN EN 1536. Os novos materiais GJS-450-18, GJS-500-14 e GJS-600-10 preveem uma matriz ferrítica de elevada resistência à tração aliada à um maior alongamento. No entanto, os ferros fundidos nodulares não podem ser utilizados para a produção de blocos e cabeçotes de motor devido à sua baixa condutividade térmica.

[017] Além disto, a simples aplicação das faixas de silício típicas dos nodulares nos ferros fundidos vermiculares não garante o alcance de propriedades mecânicas necessárias aos blocos e cabeçotes de motor.

[018] Um exemplo de ferro fundido vermicular com alto teor de silício é a patente WO 00/01860. Este documento relata a produção do ferro vermicular de matriz ferrítica, no entanto, sem atingir altos níveis de resistência mecânica desejada. A composição química descrita neste documento é: 3,2-3,8%C; 2,8-4,0%Si e 0,005-0,025%Mg, combinação insuficiente tanto para atingir resistências mecânicas superiores à 500MPa, quanto para se obter uma microestrutura 100% ferrítica, de melhor usinabilidade.

[019] Ademais, o documento de patente CN106929747 descreve uma liga de ferro fundido vermicular de alta resistência em que o endurecimento da matriz ferrítica ocorre por solução sólida e a composição da referida liga compreende silício (Si), responsável pela matriz ferrítica de alta resistência, porém em uma quantidade que ainda pode ser considerada reduzida (%Si = 3,0 - 4,8).

[020] Por fim, as patentes WO 2008/112720 e US 2009/0123321 descrevem ferros fundidos de matriz ferrítica endurecida pelo Si para a obtenção de uma classe de maior resistência.

[021] Entretanto, em ambos os casos, o aumento da resistência mecânica é obtido via aumento da nodularização do material e não através da modificação da matriz metálica.

[022] No primeiro caso, a nodularidade prevista é de 30 a 90%, o que impossibilita a utilização dessa liga para a produção de blocos e cabeçotes de motor, devido à baixa dissipação térmica da grafita em nódulos. Já no segundo caso, o objetivo é a produção de uma liga de alta resistência à maiores temperaturas, o que faz necessário a adição de altos teores de molibdênio, vanádio e níquel junto à maior quantidade de Si. A adição destes elementos gera na microestrutura a formação de partículas extremamente duras de carbonetos de molibdênio ou vanádio, prejudicando muito a usina-bilidade do componente. Sendo assim, esta liga é apropriada apenas para a produção de carcaças de turbina ou componentes menores, que exijam poucas operações de usinagem.

[023] Portanto, os materiais de alto silício citados nos documentos anteriores não são adequados para a fabricação de blocos e cabeçotes de motor. Seja devido à baixa resistência mecânica ou às propriedades inapropriadas como alta nodularidade ou ainda devido à intensa utilização de elementos de liga o que impossibilita a usina-gem de componentes complexos como blocos e cabeçotes de motor.

[024] No caso específico de blocos e cabeçotes de motores a combustão interna, a usinabilidade é uma propriedade importante que se reflete no custo do produto, já que estas peças costumam ser usinadas extensivamente até a obtenção do produto final.

[025] Observa-se, assim, que segue existindo no atual estado da técnica uma demanda por novas composições de ligas de ferro fundido que apresentem as propriedades adequadas para fabricação de cabeçotes de motores de combustão interna. É com base neste cenário que surge a invenção em questão.

Objetivos da Invenção

[026] Portanto, é o objetivo central da presente invenção prover uma liga de ferro fundido vermicular especialmente projetada para blocos e cabeçotes de motores a combustão interna que tenham requisitos especiais de resistência mecânica e de usinabilidade.

[027] Ademais, é objetivo da presente invenção prover uma liga com limite de resistência mínimo de 500 MPa, limite de escoamento mínimo de 350 MPa, aliada à uma boa usinabilidade, sendo esta última característica o principal diferencial desta invenção.

[028] Por fim, é objetivo desta invenção, prover um cabeçote de motor de combustão interna e bloco de motor de combustão interna fabricados em liga de ferro fundido vermicular.

Sumário da Invenção

[029] Todos os objetivos da invenção em questão são alcançados por meio de uma liga de ferro fundido vermicular compreendendo teores de carbono na faixa de 2,6% a 3,2%, valores de manganês entre 0,1% a 0,3%, fósforo máximo de 0,05%, cromo menor que 0,06%, estanho menor que 0,03% e cobre menor que 0,20%; a liga sendo especialmente definida por apresentar microestrutura com matriz ferrítica compreendendo pelo menos 90% de ferrita e pelo menos 70% de grafita vermicular; referida liga compreendendo silício na faixa de 4,60% a 5,70%; e em que o Fator de Fer-ritização (F.F.) calculado como F.F. = %Si - %Cu - 10x%Sn - 1,2x%Cr - 0,5x%Mn esteja entre 3,88 a 5,48.

[030] Ademais, é objeto da presente invenção uma liga de ferro fundido vermicular que apresenta nódulos de grafita em até 30% da microestrutura.

[031] Ainda, é objeto da presente invenção liga de ferro fundido vermicular, de acordo com a reivindicação 1 que apresenta limite de resistência mínimo de pelo menos 500 MPa e limite de escoamento mínimo de pelo menos 350 Mpa.

[032] Adicionalmente, a presente invenção propõe um cabeçote de motor de combustão interna fabricado em liga de ferro fundido vermicular.

[033] Por fim, a presente invenção propõe um loco de motor de combustão interna fabricado em liga de ferro fundido vermicular.

Breve Descrição das Figuras

[034] A concretização preferencial da presente invenção é detalhadamente descrita com base nas figuras listadas, as quais possuem caráter exemplificativo e não limitativo.

[035] Figura 1 - Microestrutura típica de um ferro fundido cinzento classe 250, (A1) sem ataque e (A2) com ataque, evidenciando a matriz predominantemente perlí-tica; microestrutura típica de um ferro fundido vermicular classe 450, (B1) sem ataque, evidenciando a forma das partículas de grafita e (B2) com ataque, evidenciando a matriz predominantemente perlítica; microestrutura típica de um ferro fundido nodular classe 400, (C1) sem ataque, evidenciando a forma das partículas de grafita e (C2) com ataque, evidenciando a matriz constituída de frações semelhantes de ferrita e perlita; microestrutura típica de um ferro fundido nodular classe 600, (D1) sem ataque, evidenciando a forma das partículas de grafita e (D2) com ataque, evidenciando a matriz predominantemente perlítica.

[036] Figura 2 - (a) peça de um bloco de motor com 50% de nodularidade e alto índice de porosidades, (b) peça de um bloco de motor com 10% de nodularidade e isento de porosidades, (c) peça de um bloco de motor com 20% de nodularidade e baixo índice de porosidades.

[037] Figura 3 - Relação entre quantidade de inoculante utilizada em função do teor de silício.

[038] Figura 4 - Proporção de ferrita de acordo com o fator de ferritização de um ferro fundido vermicular.

[039] Figura 5 - Resistência ao Impacto de um ferro fundido vermicular de alto silício de acordo com o Fator de Ferritização. Dados obtidos a partir de corpos de prova com entalhe em U.

[040] Figura 6 - Micrografias do ferro fundido vermicular de matriz ferrítica objeto da presente invenção: a) microscopia ótica, aumento de 100x, com ataque; b) microscopia ótica, aumento de 500x, com ataque.

[041] Figura 7 - Resultados de limite de resistência para o ferro fundido vermicular ferrítico objeto da presente invenção. O exemplo comparativo refere-se ao ferro fundido vermicular classe 450. O limite de resistência médio é de 587 MPa para o presente material.

[042] Figura 8 - Resultados de limite de escoamento para o ferro fundido vermicular ferrítico objeto da presente invenção. O exemplo comparativo refere-se ao ferro fundido vermicular classe 450. O limite de escoamento médio é de 523 MPa para o ferro fundido vermicular de alto Silício do presente documento.

[043] Figura 9 - Resultados de alongamento para o ferro fundido vermicular ferrítico objeto da presente invenção. O exemplo comparativo refere-se ao ferro fundido vermicular classe 450. O alongamento médio é de 1,86% para o ferro fundido vermicular da presente invenção.

Descrição Detalhada da Invenção

[044] A presente invenção se refere a liga de ferro fundido vermicular, especialmente definida por apresentar microestrutura com matriz ferrítica compreendendo pelo menos 90% de ferrita e pelo menos 70% de grafita vermicular, referida liga compreende silício na faixa de 4,80% a 5,70% e em que que o Fator de Ferritização é calculado como F.F. = %Si - %Cu - 10x%Sn - 1,2x%Cr - 0,5x%Mn esteja entre 3,88 a 5,48.

[045] A proposta da presente patente surge para produzir um ferro fundido vermicular de matriz ferrítica com alto teor de Si e nodularidade máxima de 30% para a fabricação de blocos e cabeçotes de motor, cujo limite de resistência à ruptura seja superior à 500MPa.

[046] A viabilização da produção do ferro fundido vermicular com limite de resistência maior que 500 MPa e boa usinabilidade cria novas oportunidades para o setor automotivo. As propriedades mecânicas proporcionadas por esta liga permitem a fabricação de blocos e cabeçotes de motor com maior complexidade geométrica e de maior potência e desempenho.

[047] Sendo assim, a presente invenção atende à demanda da indústria aliando a sustentabilidade à essa produção, à medida que os novos projetos com a presente liga permitem a manufatura de motores de menores emissões de poluentes.

[048] A obtenção do ferro fundido com grafita na forma vermicular é possível através de adições controladas de magnésio, que é o elemento modificador da grafita, de modo que o teor final de magnésio se situe entre 0,008 - 0,030%Mg.

[049] Além da adição controlada de magnésio através de adição de liga Fe-SiMg, controla-se também a adição de cério e de inoculante (FeSi75). O cério, também conhecido como terras raras, desempenha papel semelhante ao do magnésio, enquanto o inoculante tem a função de favorecer a nucleação da grafita. A adição de cério deve corresponder de 2 a 3 vezes o valor de enxofre presente no metal base.

[050] A quantidade de inoculante adicionada depende do teor de Si presente na liga e da capacidade da panela utilizada. Essa relação é apresentada pela Figura 3.

[051] A composição química da nova liga diferencia-se da composição do ferro fundido vermicular classe 450 convencional principalmente pelo baixo teor de C (2,63,2%), elevado teor de Si (4,6-5,7%) e valores residuais de elementos perlitizantes.

[052] Para garantir a formação da ferrita associada às elevadas propriedades mecânicas, deve-se ter um Fator de Ferritização entre 3,88 a 5,48, definido como:
Fator de Ferritização = %Si - %Cu - 10x%Sn - 1,2x%Cr - 0,5x%Mn.

[053] Para valores mais baixos que 3,88 ocorre a formação de perlita, com o consequente aumento de dureza e queda na usinabilidade, conforme mostra o gráfico da Figura 4.

[054] Acima destes valores, o material torna-se extremamente frágil, tornando impossível a sua aplicação. O gráfico da Figura 5 mostra a evolução dos valores de absorção de energia de impacto de acordo com o Fator de Ferritização.

[055] Os teores típicos dos elementos para o material reivindicado pelo presente documento, em comparação com o ferro fundido vermicular classe 450 convencional são mostrados na tabela 1.

[056] A partir da composição química descrita na Tabela 1 e obedecendo-se a faixa do Fator de Ferritização entre 3,88 a 5,48, o material do presente documento atinge altos valores de limite de resistência à ruptura, acima de 500 MPa aliado ao limite de escoamento mínimo de 350 MPa com uma matriz ferrítica. Esta microestru-tura pode ser vista na Figura 6.

[057] Em uma realização preferencial, o teor de silício Si na liga pode variar entre 4,8-5,7%.

[058] Deste modo, para a obtenção do presente material dentro destas faixas de composição química, o metal base deve ser preparado no forno com elevado teor de silício entre 4,4 a 4,7% e teor de enxofre não superior a 0,020%.

[059] Em seguida o metal base deve ser transferido do forno para uma panela de vazamento ou tratamento. O metal é então tratado com quantidades previamente calculadas de magnésio e cério, conforme exposto. A seguir, adiciona-se o inoculante na quantidade adequada, obedecendo-se as proporções descritas no gráfico da Figura 2 e por fim, o metal líquido é vazado em moldes convenientes.

[060] Além do cálculo preciso de todas as adições feitas na panela, as temperaturas de processo também devem ser bem controladas. Para o forno é indicada a temperatura aproximada de 1550 °C e o vazamento deve ocorrer a temperaturas de 1.370 a 1450 °C.

[061] O resultado é a obtenção de um ferro fundido vermicular de alto silício, com matriz predominantemente ferrítica. O formato da grafita é predominantemente vermicular (forma III da norma ISO 945/1975 [9] ) - acima de 70%, e há também a presença de grafita em nódulos (forma VI da norma ISO 945/1975 [9] ) em no máximo 30%.

[062] O principal fator que favorece o maior limite de resistência, sem queda de usinabilidade deste novo tipo de ferro fundido vermicular é a combinação de elementos químicos que obedeça ao Fator de Ferritização entre 3,88 a 5,48, responsável pelo endurecimento por solução sólida da matriz ferrítica.

[063] As figuras 7, 8 e 9 apresentam resultados de limite de resistência, limite de escoamento e alongamento do ferro fundido vermicular ferrítico da presente invenção, com Fator de Ferritização entre 3,88 e 5,48 e nodularidade menor que 30%.

[064] Assim sendo, o material reivindicado apresenta elevadas propriedades mecânicas, especialmente elevada resistência à ruptura, devido à matriz ferrítica endurecida por solução sólida aliada à boa usinabilidade e ainda, sem apresentar a fragilidade típica de ferros fundidos de alto teor de silício. Tais propriedades são importantes na manufatura de blocos e cabeçotes de motor de desempenho superior.

[065] Dessa forma, a nova liga poderá ser utilizada na produção de motores de alta densidade de potência, que estão suscetíveis a altos níveis de solicitação mecânica.

[066] Neste sentido, a presente invenção também se refere, a um cabeçote e bloco de motor de combustão interna, fabricado em liga de ferro fundido cinzento, conforme definido acima.

[067] É importante ressaltar que a descrição acima tem como único objetivo descrever de forma exemplificativa a concretização particular da invenção em questão. Portanto, torna-se claro que modificações, variações e combinações construtivas dos elementos que exercem a mesma função substancialmente da mesma forma para alcançar os mesmos resultados, continuam dentro do escopo de proteção delimitado pelas reivindicações anexas.

Claims

Liga de ferro fundido vermicular compreendendo teores de carbono na faixa de 2,6% a 3,2%, valores de manganês entre 0,1% a 0,3%, fósforo máximo de 0,05%, cromo menor que 0,06%, estanho menor que 0,03% e cobre menor que 0,20%;
a liga CARACTERIZADA por apresentar microestrutura com matriz ferrítica compreendendo pelo menos 90% de ferrita e pelo menos 70% de grafita vermicular;
referida liga compreendendo silício na faixa de 4,60% a 5,70%;
e em que o Fator de Ferritização (F.F.) calculado como F.F. = %Si - %Cu -10x%Sn - 1,2x%Cr - 0,5x%Mn esteja entre 3,88 a 5,48.
Liga de ferro fundido vermicular, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que apresenta nódulos de grafita em até 30% da mi-croestrutura.
Liga de ferro fundido vermicular, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato de que apresenta limite de resistência mínimo de pelo menos 500 MPa e limite de escoamento mínimo de pelo menos 350 Mpa.
Cabeçote de motor de combustão interna, CARACTERIZADO por ser fabricado em liga de ferro fundido vermicular, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 3.
Bloco de motor de combustão interna, CARACTERIZADO por ser fabricado em liga de ferro fundido vermicular, conforme definida em qualquer uma das reivindicações 1 a 3.