BR112013012607B1

BR112013012607B1 - Liga de ferro fundido cinzento e disco de freio contendo liga de ferro fundido cinzento

Info

Publication number: BR112013012607B1
Application number: BR112013012607-8A
Authority: BR
Inventors: Skoglund Peter; Erhav Dan; - Eric Stenfors Sven; Tamminen Jarmo; Wilberfors Fredrik; Thibblin Anders; Hammerström Lars
Original assignee: Scania Cv Ab
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2018-06-12
Also published as: BR112013012607A2; SE535043C2; RU2548558C2; KR20130093673A; EP2646589A4; EP2646589B1; KR101544952B1; JP5718477B2; EP2646589A1; US20130292217A1; SE1051276A1; WO2012074470A1; MX2013006210A; JP2014500400A; CN103282528A; RU2013129988A; MX359373B

Description

(54) Título: LIGA DE FERRO FUNDIDO CINZENTO E DISCO DE FREIO CONTENDO LIGA DE FERRO FUNDIDO CINZENTO (51) Int.CI.: C22C 37/06; C22C 37/00; C22C 37/10 (30) Prioridade Unionista: 02/12/2010 SE 1051276-2 (73) Titular(es): SCANIA CV AB (72) Inventor(es): PETER SKOGLUND; DAN ERHAV; SVEN - ERIC STENFORS; JARMO TAMMINEN; FREDRIK WILBERFORS; ANDERS THIBBLIN; LARS HAMMERSTRÕM

1/10 “LIGA DE FERRO FUNDIDO CINZENTO E DISCO DE FREIO CONTENDO LIGA DE FERRO FUNDIDO CINZENTO”

CAMPO TÉCNICO [0001] A presente invenção refere-se a uma liga de ferro fundido cinzento. A invenção refere-se também a um disco de freio que contém a liga de ferro fundido cinzento, de acordo com a presente invenção.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO [0002] O ferro fundido cinzento é um tipo de ferro fundido, cuja estrutura consiste de flocos de grafite, chamados de grafite lamelar, em, por exemplo, uma matriz perlítica. Esta estrutura dá ao ferro fundido cinzento boas características com respeito à absorção de vibração e condução térmica, tornando-o um material adequado para discos de freio.

[0003] Os discos de freio são sujeitos a cargas substanciais quando a energia cinética do veículo é convertida em calor neles durante a frenação. As operações de frenagem podem durante o tempo resultar em formação de fissura nos discos, que são também sujeitos a desgaste. O mecanismo que controla a formação de fissura é chamado de fadiga termomecânica. Os aquecimentos e esfriamentos repetidos dos discos durante a frenagem resulta em tensões que plasticamente deformam-nos e finalmente conduzem a fissuras neles.

[0004] Uma maneira conhecida de melhorar as características de altatemperatura dos discos de freio e, em consequência, sua resistência a fadiga térmica, é adicionar vários elementos de liga no material de ferro fundido cinzento de que os discos são feitos. Entretanto, estes elementos de liga, p.ex., molibdênio, são caros, resultando no custo total elevado dos discos de freio conhecido. O EP1646732 B1 refere-se a um disco de freio ligado com, entre outros, molibdênio. [0005] Um objetivo da presente invenção é indicar uma liga de ferro fundido cinzento de custo-eficaz, adequada para produzir discos de freio. Um outro objetivo da presente invenção é indicar um disco de freio de custo-eficaz.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO [0006] De acordo com a invenção, este objetivo é alcançado por uma liga de

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2/10 ferro fundido cinzento que contenha (em %p)

C: < 4,2 %,

Si: < 1,30 %,

Mn: 0,4 - 0,8%,

Nb: 0,05 - 0,4 %,

Cr: < 0,4 %,

Cu < 0,7 %,

V + Ti + Mo: < 0,4 %,

P: < 0,05 %,

S: < 0,1 %, o resto compreendendo Fe e impurezas naturalmente ocorrentes, e o grau de saturação Sc, expresso como %C / (4,26 - 0,317* (%Si) + 0,027 (%Mn) - 0,3 (%P)), é maior do que 1.

[0007] O teor de substâncias de liga cuidadosamente balanceadas resulta em uma liga de ferro fundido cinzento, que tem características de alta-temperatura muito boas e resistência ao desgaste. Isto torna a liga de ferro fundido cinzento muito adequada como material para discos de freio, particularmente para veículos pesados, tais como caminhões.

[0008] Um disco de freio contendo a liga de ferro fundido cinzento, de acordo com a invenção, tem boa resistência à fadiga termomecânica e boa resistência ao desgaste. Ele pode ser produzido a baixo custo, uma vez que a liga de ferro fundido cinzento de que o disco consiste compreende principalmente substâncias de liga que são disponíveis a custo relativamente baixo.

[0009] O teor de carbono da liga de ferro fundido cinzento é preferivelmente de 3,9 - 4,1%.

[0010] O teor de silício da liga de ferro fundido cinzento é preferivelmente de 1 1,25%.

[0011] O teor de manganês da liga de ferro fundido cinzento é preferivelmente de 0,5 - 0,7%.

[0012] O teor de nióbio da liga de ferro fundido cinzento é preferivelmente de 0,1

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- 0,4%.

[0013] Mais preferivelmente, o teor de nióbio da liga de ferro fundido cinzento é de 0,15 - 0,35%.

[0014] O teor de cromo da liga de ferro fundido cinzento é preferivelmente de não mais do que 0,2%.

[0015] O teor de cobre da liga de ferro fundido cinzento é preferivelmente de 0,4

- 0,6%.

[0016] De acordo com uma alternativa, a liga de ferro fundido cinzento tem um teor de vanádio < 0,2%.

[0017] De acordo com uma alternativa, a liga de ferro fundido cinzento tem um teor de titânio < 0,05%.

[0018] De acordo com uma alternativa, a liga de ferro fundido cinzento tem um teor de molibdênio < 0,3%.

[0019] O teor de enxofre é preferivelmente abaixo de 0,08%.

[0020] O teor de fósforo é preferivelmente abaixo de 0,025%.

[0021] A invenção refere-se também a um disco de freio que contém a liga de ferro fundido cinzento como indicado acima.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO [0022] Um produto fundido, p. ex., um disco de freio feito da liga de ferro fundido cinzento de acordo com a presente invenção, tem uma estrutura principal de grafite lamelar em uma matriz perlítica. A estrutura de grafite lamelar dá ao produto fundido boa condução térmica e a matriz perlítica assegura boa resistência e resistência ao desgaste.

[0023] As seguintes substâncias de liga são incorporadas na liga de ferro fundido cinzento de acordo com a presente invenção:

Carbono (C) [0024] O teor de carbono da liga de ferro fundido cinzento influencia na proporção de grafite lamelar que se precipita quando a liga se solidifica. É portanto importante que o teor de carbono da liga de ferro fundido cinzento seja elevado, de acordo com a presente invenção, uma vez que um disco de freio feito dela terá

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4/10 então uma elevada proporção de grafite lamelar, resultando em elevada condutividade térmica e, consequentemente, menos tensões termicamente induzidas. Entretanto, teor de carbono demasiado elevado provoca precipitação primária do grafite e consequente flotação, resultando em estrutura não-homogênea do ferro fundido cinzento e características inferiores. O teor de carbono da liga de acordo com a presente invenção deve, portanto, não ser de mais do que 4,2 % p. Ele deve, preferivelmente, ser entre 3,9 e 4,1 %p, para assegurar condutividade térmica elevada e uniforme.

Silício (Si) [0025] Silício é incorporado na liga de ferro fundido cinzento, para melhorar sua fundibilidade e evitar solidificação branca. Para assegurar isto, o teor de silício necesita ser de não menos do que 1 %p. Entretanto, o silício promove a desintegração da matriz perlítica da liga, de modo que elevados teores de silício reduzem a estabilidade da liga, particularmente em altas temperaturas. O teor de silício tem, portanto, que ser limitado a abaixo de 1,30 %p. Ele deve preferivelmente ser entre 1 e 1,25 %p, para assegurar uma matriz perlítica na liga de ferro fundido cinzento.

Fósforo (P) [0026] O fósforo é uma impureza do ferro fundido cinzento, que pode resultar em inclusões de fósforo quebradiças na liga solidificada. Ele tem, portanto, que ser limitado a abaixo de 0,05 %p, preferivelmente abaixo e 0,025 %p.

Enxofre (S) [0027] O enxofre é uma impureza do ferro fundido cinzento, que pode dar origem a sulfetos. Ele tem, portanto, que ser limitado a abaixo de 0,1 % p, preferivelmente abaixo de 0,08 % p.

Manganês (Mn) [0028] O manganês é adicionado para ligar-se ao enxofre e, desse modo, melhorar a usinagem do ferro fundido cinzento. Ele também estabiliza a fase de perlita. Entretanto, teor de manganês demasiado elevado aumenta o risco da formação de carbetos, o que tornaria o produto acabado mais difícil de usinar. O teor

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5/10 de manganês e a relação entre manganês e enxofre também influenciam, entre outras coisas, a nucleação e o desenvolvimento do grafite, de modo que uma estreita faixa é desejável com vistas a obterem-se características estáveis. Por estas razões, o teor de manganês da liga de acordo com a presente invenção deve ser entre 0,4 e 0,8 % p, preferivelmente entre 0,5 e 0,7 % p.

Nióbio (Nb) [0029] O nióbio é uma substância de liga, disponível a custo relativamente baixo, que pode total ou parcialmente substituir o molibdênio convencionalmente usado como substância de liga de ligas de ferro fundido cinzento. Ele promove a precipitação do grafite, com efeitos consequentemente positivos sobre a condutividade térmica da liga e, em consequência, sobre as características termomecânicas. O nióbio também reduz o espaçamento interlamelar na fase perlítica que circunda os flocos de grafite da liga, desse modo influenciando favoravelmente a resistência da liga. Ele também estabiliza a liga de tal maneira que a desintegração da fase perlítica é equilibrada. Ele também forma carbetos de níóbio duro, o que aumenta a resistência ao desgaste. Entretanto, teor de nióbio demasiado elevado provoca usinagem inferior do produto fundido. A quantidade de nióbio deve, portanto, ser entre 0,05 e 0,4 % p, preferivelmente entre 0,1 e 0,4 % p, mais preferivelmente entre 0,15 e0,35 % p.

Cromo (Cr) [0030] O cromo é uma substância de liga, com frequência presente no material inicial usado para produzir a liga de ferro fundido cinzento. Ele tem um efeito positivo sobre a liga de ferro fundido cinzento ao ser estabilizante-perlita, porém elevados teores de cromo provocam solidificação branca, de modo que o teor de cromo não deve ser de mais do que 0,4 % p. Ele deve, preferivelmente, ser entre 0 e 0,2 % p. Cobre (Cu) [0031] O cobre é uma substância de liga, que pode fazer parte do material inicial para a liga de ferro fundido cinzento. Ele tem um efeito estabilizante sobre a fase perlita do ferro fundido cinzento, porém este efeito diminui quando a matriz torna-se perlítica, de modo que o cobre necessita ser limitada a não mais do que 0,7 % p,

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6/10 preferivelmente entre 0,4 e 0,6 % p.

Vanádio (V) [0032] O vanádio forma carbeto de vanádio duro, que melhora a resistência ao desgaste da liga de ferro fundido cinzento, porém elevados teores de vanádio aumentam o risco de solidificação branca e torna o material fundido mais difícil de usinar. A quantidade de vanádio no material deve, portanto, não exceder 0,2 % p. Titânio (Ti) [0033] O titânio pode ser parte do material inicial para a liga de ferro fundido cinzento e forma carbetos de titânio, que são positivos para as características de desgaste, porém ele torna a usinagem de material fundido mais difícil. O teor de titânio não deve, portanto, ser de mais do que 0,05 % p.

Molibdênio (Mo) [0034] O molibdênio tem efeitos positivos sobre as características de fadiga das ligas de ferro fundido cinzento em elevadas temperaturas. Em certas aplicações, pode, portanto, ser apropriado para a liga de ferro fundido cinzento conter até 0,3 % p de molibdênio. Entretanto, o molibdênio é uma substância de liga dispendiosa e baixos teores dele são, portanto, desejáveis na liga de ferro fundido cinzento, de acordo com a invenção. O teor de molibdênio da liga de ferro fundido cinzento deve, portanto, ser entre 0 e 0,3 % p. Em muitas aplicações, o molibdênio pode ser inteiramente omitido da liga de ferro fundido cinzento. Na liga de ferro fundido cinzento, de acordo com a presente invenção, o teor de molibdênio pode, portanto, ser de 0 % p.

Vanádio (V) + Titânio (Ti) + Molibdênio (Mo) [0035] Para equilibrar suas características com respeito à resistência ao desgaste e à fadiga em altas temperaturas, em relação a seu custo e usinabilidade, a quantidade combinada de vanádio, titânio e molibdênio na liga de ferro fundido cinzento não deve exceder 0,4 % p.

Grau de saturação (Sc) [0036] O grau de saturação Sc da liga de ferro fundido cinzento, expresso como %C/(4,26 - 0,317* (% Si) _ 0,027 (% Mn) - 0,3 (% P)), deve ser maior do que 1.

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7/10 [0037] O grau de saturação é a relação entre a quantidade total de carbono incorporado na fusão de ferro fundido cinzento e o teor de carbono eutético da fusão, que pode ser calculado com base nos teores de Si, Mn e P, como acima. Uma relação de menos do que 1 significa que a quantidade de carbono na fusão é abaixo de eutética (hipo eutética), uma relação de 1 significa que a quantidade de carbono incorporado na fusão é eutêtica e uma relação de mais do que 1 significa que a quantidade de carbono incorporada na fusão é acima de eutética (hiper-eutética). A relação entre o teor de carbono incorporado e de carbono eutético é de grande significância para a estrutura final da liga de ferro fundido cinzento solidificada. Se a composição da fusão for hipo-eutética, a fusão solidificada terá elevados teores de austenita, com consequentes efeitos adversos sobre a condutividade térmica da liga de ferro fundido cinzento. Se a fusão for hiper-eutética, o carbono incorporado nela separar-se-á na forma de flocos de grafite durante a solidificação da fusão, dando à liga de ferro fundido cinzento uma estrutura que é favorável para os discos de freio. Se, entretanto, o valor Sc da fusão for demasiado elevado, há risco de precipitação primária do grafite e consequente flotação do grafite.

[0038] Quando a liga de ferro fundido cinzento de acordo com a presente invenção tiver que ser adequada para discos de freio, é importante que uma grande quantidade de grafite lamelar seja separada durante a solidificação da fusão, uma vez que os flocos de grafite promovem condução de calor nos discos de freio. Os teores de C, Si, Mn e P têm, portanto, que ser adaptados de modo que o grau de saturação seja maior do que 1. O limite Sc superior máximo depende do componente particular para o qual a liga é para ser usada. Para a liga de ferro fundido cinzento, de acordo com a presente invenção, ser adequada para discos de freio, Sc deve ser abaixo de 1,07.

[0039] O resto da liga de ferro fundido cinzento de acordo com a presente invenção compreende ferro e possíveis impurezas inevitáveis. Estas impurezas, também chamadas impurezas naturalmente ocorrentes, podem, por exemplo, surgir da sucata de metal usada domo material inicial para a liga de ferro fundido cinzento ou dos métodos de manufatura empregados.

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EXEMPLOS [0040] A liga de acordo com a presente invenção é descrita abaixo com base nos exemplos concretos.

[0041] Como uma primeira etapa, duas ligas de acordo com a presente invenção foram feitas, chamadas “Liga 1” e “Liga 2”. Para fins de comparação, duas ligas atualmente disponíveis no mercado como material para discos de freio foram também feitas, chamadas “Liga comp. 3” e “Liga comp. 4”. A Tabela 1 abaixo fornece as composições das respectivas ligas 1 - 4. Ela mostra que as ligas de acordo com a presente invenção contêm pequenas quantidades da impureza inevitável estanho.

	C	Si	S	P	Mn	Cu	Mo	Sn	Ni	Ti	V	Cr	Nb	Sc
Liga 1	4,01	1,16	0,064	0,021	0,458	0,517	0,04	0,006	-	0,009	0,099	0,111	0,13	1,028
Liga 2	4	1,16	0,066	0,021	0,454	0,517	0,041	0,006	-	0,012	0,1	0,112	0,32	1,026
Liga Comp. 3	4,01	1,14	0,072	0,021	0,422	0,532	0,385	0,006		0,008	0,099	0,111		1,027
Liga Comp. 4	3,66	1,62	0,07	0,030	0,66	0,52	0,088	0,011	0,084	0,017	0,025	0,31		0,97

Tabela 1: Composição das ligas [0042] A “Liga Comp. 3” é usada em discos de freio que, de acordo com os fabricantes de veículos, têm vidas em serviço muito longas. “Liga comp. 4” é uma liga usada em discos de freio que, de acordo com os fabricantes de veículo, têm uma boa vida em serviço.

[0043] As ligas foram feitas em uma maneira industrial convencional, por métodos apropriados para produção em série.

[0044] Os discos de freio foram feitos das ligas de uma maneira convencional. As amostras foram tiradas de suas superfícies de fricção.

[0045] A dureza foi medida em temperatura ambiente em HBW10/3000 em amostras tiradas de discos de freio feitos das ligas de ferro fundido cinzento de acordo com a presente invenção. A liga 1 tinha uma dureza de 155 HBW10/3000 e a

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9/10 liga 2 uma dureza de 169 HBW10/3000. Em experiência anterior, as durezas medidas mostraram que as ligas de acordo com a presente invenção têm resistência ao desgaste bastante boa para serem adequadas como material para discos de freio.

[0046] As amostras retiradas dos discos de freio, feitos das ligas de acordo com a presente invenção e daqueles feitos de ligas comparáveis, foram então testadas quanto à condutividade térmica.

[0047] A condutividade térmica das ligas de ferro fundido cinzento é uma medida muito importante de como bem um disco de freio, feito delas, suportará a fadiga termomecânica em operação. Isto é porque quanto maior a condução térmica no disco de freio, mais rápida e uniformemente a energia térmica, que ocorre nele durante a frenagem, será conduzida para longe. Isto resulta em menores tensões no disco durante a frenagem e, consequentemente, menos risco de formação de fissura nele.

[0048] A condutividade térmica das respectivas ligas foi medida em W/mK pelo método “laser flash” em numerosas temperaturas, a fim de representar em gráfico sua condutividade térmica durante um ciclo de frenagem. A condutividade térmica das várias ligas aparece na Tabela 2.

Temp. °C	Liga 1	Liga 2	Liga Comp. 3	Liga Comp. 4
35	60,9	60,8	61,5	52,8
100	57,4	57,6	58,7	50,6
200	52	52,6	54,2	46,7
300	46,3	47,1	49,1	42,5
400	43,2	44,3	46,4	40,4
500	41,5	42,5	44,6	39,3
600	38,4	39,2	41,2	36,6
700	29,9	30,7	32,6	28,7

Tabela 2: Condutividade térmica [W/mK] [0049] A Tabela 2 mostra que a condutividade térmica das ligas de acordo com a presente invenção, em cada temperatura medida, é significativamente maior do que

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10/10 aquela da liga comparável 4, porém similar àquela da liga comparável 3. Em outras palavras, a condutividade térmica medida, das ligas de acordo com a presente invenção, comparada com aquela das ligas comparáveis, mostra, portanto, que as ligas de acordo com a presente invenção são muito adequadas para uso em discos de freio.

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Liga de ferro fundido cinzento caracterizada pelo fato de que contém (em % p)

C: < 4,2 %,

Si: < 1,30 %,

Mn: 0,4 - 0,8%,

Nb: 0,05 - 0,4 %,

Cr: < 0,4 %,

Cu < 0,7 %,

V + Ti + Mo: < 0,4 %,

P: < 0,05 %,

S: < 0,1 %, o resto compreendendo Fe e impurezas naturalmente ocorrentes e o grau de saturação Sc expresso como %C / (4,26 - 0,317* (%Si) + 0,027 (%Mn) - 0,3 (%P)) > 1.
2. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que tem teor de C de 3,9 - 4,1%.
3. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que tem teor Si de 1 - 1,25 %.
4. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizada pelo fato de que tem teor de Mn de 0,5 - 0,7%.
5. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizada pelo fato de que tem teor de Nb de 0,1 - 0,4%.
6. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizada pelo fato de que tem teor de Nb de 0,15 - 0,35%.
7. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizada pelo fato de que tem teor de Cr de 0 - 0,2%.
8. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizada pelo fato de que tem teor de Cu de 0,4 - 0,6%.
9. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com qualquer uma das

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2/2 reivindicações 1 a 8, caracterizada pelo fato de que tem teor de V < 0,2%.
10. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 9, caracterizada pelo fato de que tem teor de Ti < 0,05 %.
11. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizada pelo fato de que tem teor de Mo < 0,3%.
12. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de que tem teor de S < 0,08%.
13. Liga de ferro fundido cinzento de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizada pelo fato de que tem teor de P < 0,025 %.
14. Disco de freio, caracterizado pelo fato de que contém uma liga de ferro fundido cinzento do tipo definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11.

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